煤岩组合体冲击动力学特征试验研究

杨 科，刘文杰，马衍坤，窦礼同，刘 帅，魏 祯，许日杰

(1.安徽理工大学 深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室，安徽 淮南 232001；2.合肥综合性国家科学中心能源研究院，安徽 合肥 230031；3.东北大学 资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819)

煤炭地下开采时，煤层并不是独立存在，而是与顶底板岩层协同共生，煤炭资源采出后遗留煤体(煤柱)与顶板岩层形成了新的围岩承载结构-煤岩组合结构体。受采掘扰动和强矿压的影响，煤岩组合结构体不可避免地会受到应力波(动载荷)的作用，煤岩组合体结构的复杂性决定着应力波在其中的传播和衰减特征与煤岩单体迥异，而煤岩组合体的动力学响应特征，对巷道围岩承载系统的稳定性起到至关重要的作用。因此，研究应力波在煤岩组合体中的传播规律以及煤岩组合体的动态力学响应特征，为更好理解煤岩组合结构体的稳定性，控制动压巷道围岩变形失稳问题，保证矿井安全高效开采具有重要意义。

国内外学者通过实验室试验、理论分析、数值模拟等方法，对多相煤岩层状复合结构体的力学特性、能量演化规律、变形破坏特征、本构模型、破坏准则等方面开展了深入而全面的研究。如陈绍杰等基于顶板砂岩-煤柱结构体单轴压缩试验，分析了不同高比顶板-煤柱结构体变形参数与强度参数的演变规律，揭示了煤岩结构体的渐进破坏机制。李成杰等开展了类煤岩组合体冲击试验，研究分析了类煤岩组合体的能量耗散与破碎特征，以及裂隙产状对类煤岩组合体分形特性的影响规律；GONG等利用SHPB试验系统，测试了不同应变率下煤岩组合体的动力学特征，试验结果表明煤岩组合体的动态抗压强度、动态峰值应变、入射能和反射能等均具有明显的应变率效应。在复合结构体变形破坏特征方面，LI等开展了单节理红砂岩的动态冲击试验研究，指出应力波作用下单节理砂岩多以张拉片帮破坏为主，节理的存在弱化了砂岩的动态抗压强度，且节理倾角越大，应力波衰减程度越大；HAN等研究了层状砂岩动力学特征的胶结砂浆厚度效应，指出随着水泥砂浆胶结厚度的增大，砂岩破坏形态逐渐由局部张拉剥落向贯穿劈裂转变。在本构模型方面，LIU等通过串联损伤体和牛顿体建立了2种煤体的损伤本构模型，揭示了岩石对煤岩组合体中煤体力学行为的影响；解北京等基于不同组合比煤岩样冲击加载试验，构建了多参数组合煤岩层叠本构模型，模型拟合曲线与实测动态本构曲线具有较好的一致性。煤岩组合体破坏准则方面，尹光志等利用均质化理论方法，将复合岩层虚拟为等效均质岩石，提出了基于MLC准则的层状复合岩石破坏准则；ZHAO等基于应变能等效原理，建立了煤岩组合体的等效均质模型，推导了考虑煤-岩界面黏结强度的组合体压剪破坏准则。

上述研究阐述了煤岩高比、多相煤岩胶结特征、应力加载方式等方面对多相煤岩层状复合体力学特性、变形破坏特征以及能量耗散规律的影响，但其大多集中在静载；而实际煤层的赋存特征，不仅只有煤层厚度和煤层倾角在变化，受地质作用煤层的顶板条件也不尽形同，如冲刷带影响区和岩浆岩侵入区等，且已有研究表明，受波阻抗的影响，复合岩体动力学特性差异性明显。为此，笔者采用SHPB试验系统，以4种典型岩样与相同煤样水平层状组合而形成的煤岩组合体为研究对象，分析了不同岩性组合条件下煤岩组合体动态力学特性，以期为复合煤岩工程地质体的开挖与防护提供一定的借鉴。

1 煤岩组合体SHPB试验

1.1 煤岩组合体试件制备

试验所需煤样取自陕西彬长矿业集团胡家河矿401111工作面，煤层具有强冲击倾向性，岩样取自淮南、山东、内蒙古等部分冲击地压矿井。为控制煤岩样的离散性，现场将完整性较好且未经风化的煤岩样蜡封后运回实验室，经过切割、钻取、打磨后加工成50 mm×25 mm的圆柱体试件，然后用环氧树脂将煤岩单体试样黏结成50 mm×50 mm的岩样-煤样组合试件。如图1所示，黏结过程严格控制环氧树脂用量，既保证煤岩两相组分均匀充分黏合，又尽可能降低黏结剂厚度。按照试样组合形式将煤岩组合体分为黄泥岩-煤样组合体(M-C)、砂质泥岩-煤样组合体(SM-C)、白砂岩-煤样组合体(WS-C)和黑砂岩-煤样组合体(BS-C)4组煤岩组合体试样。试件加工时，要求煤岩单体试样和煤岩组合试样的端面不平行度和不垂直度均符合GB/T 23561.7—2009的要求，同时制备岩样和煤样单轴压缩和巴西劈裂试样，测得煤岩体基本物理力学参数，见表1。

图1 煤岩组合体试样Fig.1 Samples of coal-rock combined body

表1 煤岩试样基本力学参数Table 1 Mechanical parameters of coal and rock samples

1.2 SHPB试验系统与试验方案

1.2.1 试验系统

煤岩组合体冲击压缩试验在安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室，采用SHPB试验系统和超高速摄像系统等相关试验设备完成。如图2所示，SHPB试验装置入射杆、透射杆、纺锤冲头均由密度为7 800 kg/m，弹性模量为210 GPa，纵波波速为5 190 m/s的高强度合金钢制成，杆件直径为50 mm。试验时，通过调节高压腔体内部氮气压力，或者改变纺锤冲头位置，来控制冲击速度和入射应力波的幅值。应力波在入射杆和透射杆中传播时产生应变信号，该信号由SG1和SG2动态应变片和SDY2107A超动态应变仪进行采集，然后由Yokowaga-DL850E型示波器进行显示和存储。高速摄像系统由FASTCAM SA-Z型高速相机、闪光灯、同步触发控制系统等组成。试验前，设定高速相机拍摄速度为120 000 fps，图像分辨率为256 pixel×408 pixel，拍摄时长为200 μs。当应力波在入射杆中传播时，应变片将应变信号传输到超动态应变仪转化为电压信号同步触发高速相机和闪光灯工作，保证相机可以清晰地捕捉试样变形破坏的全过程。

图2 SHPB和高速摄像系统Fig.2 SHPB and high-speed camera system

煤岩组合体试验冲击加载过程中，设计应力波垂直煤岩界面入射，传播方向为由岩样传播入煤样。由表1可知，所选煤岩样的物理力学参数差异性较大，岩石单轴抗压强度在8～70 MPa，弹性模量在1～8 GPa，因此，选择合适的冲击速度，确定合适的冲击速度显得尤为重要。试验前，对煤岩样单体进行试冲，试冲结果显示，强度较低的泥岩和煤样在较低冲击气压作用下，即较为破碎。随着冲击气压的增大，当冲击气压大于0.6 MPa时，砂岩开始出现宏观裂纹的萌生与扩张。因此，试验最终选用0.4，0.5，0.6，0.7和0.8 MPa五个冲击气压进行试验，每个冲击气压下保证3组以上的平行试验。试验时，在试样与杆件接触处，涂抹一层厚度较薄的凡士林，减少端面的摩擦效应。

1.3 动态应力平衡验证

煤岩组合体冲击破坏前，试件两端达到应力平衡是一维应力波假设与应力(应变)均匀性假设的前提，决定着试验结果的可靠性。典型煤岩组合体冲击压缩试验试样应力，如图3所示。由图3可知，在煤岩组合体冲击试验中，入射应力和反射应力之和与透射应力近似相等，能够较好地满足应力平衡条件。

图3 试件动态应力平衡验证Fig.3 Verification of dynamic stress balance for specimen

2 试验结果与分析

2.1 应力波传播特征分析

对比分析不同冲击速度下煤岩组合体波形(图4)可知，随着冲击速度的增大，煤岩组合体入射波和反射波幅值逐渐增大，具有明显的应变率效应。相同冲击速度下，各组煤岩组合体入射波波形基本一致，但随着岩石波阻抗的增大，煤岩组合体的透射波幅值逐渐增大，反射波幅值减小，这种差异性在低冲击速度(7～10 m/s)下较为明显，高冲击速度(10～12 m/s)下逐渐减弱。由应力波传播特征分析可知，岩石的波阻抗越大，煤岩组合体与入射杆的波阻抗匹配效果越好，当入射波传播到煤岩组合体与入射杆交界面时，更多的应力波将通过组合体传播到透射杆中。因此，相同冲击速度下，WS-C透射波幅值应最大，M-C透射波幅值应最小。但随着冲击速度的增大，试样与入射杆波阻抗的匹配效果对应力波传播的影响逐渐减弱，透射波波形逐渐趋于一致。

图4 不同冲击速度下煤岩组合体波形Fig.4 Waveform of coal-rock combined samples at different impact velocities

2.2 动态应力-应变曲线特征

由图5煤岩组合体应力-应变曲线可知，同组煤岩组合体的应力-应变曲线变化规律相似，不同组煤岩组合体应力-应变曲线形态差异较大，说明应力波在同种煤岩组合体内部的传播和衰减规律相似。与煤、岩单体动态应力-应变曲线相比，煤岩组合体无明显的压缩密实阶段。煤岩组合体中，煤、岩力学特性差异性较大时，在动态应力-应变曲线达到最大动态峰值应力()前，应力-应变曲线大多呈“双峰”分布，这一现象在文献[22]中亦有体现，文中煤岩组合体中岩组分的强度与弹性模量为煤样的5～6倍。

煤岩组合体应力-应变曲线达到首个动态峰值应力()前，应力-应变曲线呈现明显的非线性特征，随冲击速度的增大，并未呈现出明显的规律性变化，但低冲击速率下的明显小于高冲击速率下的。最大动态峰值应力()具有明显的应变率效应，如图6(a)所示，低冲击速率下，增长较为明显，高冲击速度下增速变缓，与冲击速度近似呈幂函数关系。

图5 煤岩组合体动态应力-应变曲线Fig.5 Equivalent stress-strain curves of coal-rock combined samples

相同冲击速度下，随着岩石强度和弹性模量的增大，煤岩组合体峰值应力和峰值应变先均先增大后减小(图6)。与WS-C相比BS-C的峰值应力和峰值应变明显较小，WS-C动态应力-应变曲线在达到最大动态峰值应力()前，应力-应变曲线曲折上升，呈现出明显的应变硬化特性。与WS-C相比,M-C，SM-C和BS-C曲线在达到最大动态峰值应力()前，应力-应变曲线近似为一条直线，且曲线斜率并不随冲击速率的增大而发生较大改变。组合体应力达到最大动态峰值应力()后，动态应力-应变曲线经过数次“跌宕式”降低，表明组合体应变硬化特性显著，塑性变形明显增强。

2.3 能量耗散特征分析

由热力学定律可知，物质的破坏是能量驱动下的状态失稳。煤岩组合体变形破坏过程中无不贯穿着能量的积聚、释放与耗散。研究冲击荷载下煤岩组合体的能量耗散规律，对于分析煤岩组合体的吸能特征，针对性提高煤岩复合工程岩体下巷道围岩承载结构的防冲特性具有重要意义。假设试验过程中，试样与周围环境没有热交换，忽略声发射能和电磁辐射能，应力波传播所携带的能量可按照式(1)～(3)进行计算。

⑥焊接好的管段目视检查接口合格后应及时下管并调整管道位置，进行管道侧面及管顶回填，管顶覆沙厚度为60 cm，分层回填并用平板震动器夯实。

(1)

(2)

(3)

式中，，和分别为入射波、反射波和透射波所携带的能量；()，()和()分别为时刻的入射应变、反射应变和透射应变；，，分别为压杆横截面积、弹性模量和声波传播速度。

根据能量守恒原理，忽略应力波传播过程中压杆与试样之间因摩擦而产生的能量损失，冲击荷载作用下煤岩组合体吸收的能量为

=--

(4)

图6 煤岩组合体峰值应力与峰值应变对比Fig.6 Peak stress and peak strain comparison between coal-rock combined samples

为分析动载作用下煤岩组合体能量传播和耗散规律，定义试件吸收能与入射能之比为吸收能占比，反射能与入射能之比为反射能占比。

(5)

(6)

由式(1)～(6)计算可得煤岩组合体在不同冲击速度下的入射能、反射能、透射能和吸收能，分析可得冲击速度-入射能、冲击速度-吸收能占比以及冲击速度-反射能占比的关系如图7所示。由图7(a)，(b)可知，随冲击速度增大，入射能与试样本身无关，近似呈线性增大，同组煤岩组合体，反射能占比随冲击速度的增大呈线性降低。结合2.1节应力波传播规律分析不难理解，相同冲击速度作用下，岩石与入射杆波阻抗匹配效果越好，更多能量将随入射波传播到煤岩组合体中，反射能占比就会减小，因此，与其他组相比，WS-C组合体相对最小。另一方面随冲击速度的增大，岩石与入射杆波阻抗匹配效果的影响逐渐减弱，更多占比的入射能将传输到煤岩组合体中，反射能占比也就随之逐渐降低。

由图7(c)可知，吸收能占比随冲击速度增大而增大，但增速有降低趋势，近似呈幂函数增长。分析认为相同冲击速度下，当岩石强度较低时，煤岩组合体储能极限相对较低，变形破坏时所需要的能量较少，因此，与WS-C试样和BS-C试样相比，M-C试样和SM-C试样吸收能占比较小。但另一方面随冲击速度的增大，煤岩组合体破碎程度逐渐增大，组合体吸收的能量也就越多，但当冲击速度大于某一定值时，在不改变边界条件的前提下，组合体破碎程度趋于稳定，组合体破坏时所吸收的能量增速变慢，吸收能占比逐渐趋于平缓。值得注意的是，虽然黑砂岩强度大于白砂岩，但是WS-C的吸收能占比大于BS-C，这一现象将结合组合体破碎特征进一步分析。

图7 冲击速度与入射能、反射能占比、吸收能占比的关系Fig.7 Relationship between impact velocity and incident energy, proportion of reflected energy & proportion of absorbed energy

2.4 裂纹动态演化特征

煤岩组合体中裂纹的萌生、扩展与止裂行为间接体现了其局部受力和强度特征，采用高速摄像机捕捉煤岩组合体的破坏过程，获得煤岩组合体裂纹动态演化过程(图8～11)。根据笔者已有研究，煤岩组合体变形破坏时，在煤岩交界面处，弹性模量较大，泊松比较小的岩石强度被“弱化”，弹性模量较小，泊松比较大的岩石强度被“强化”；虽然在应力波作用下，试件两端的应力以及煤、岩样的弹性模量和泊松比是变量，但其只改变应力的大小并不改变其方向，也就是说其只对交界面处煤岩体强度的“弱化”或者“强化”程度具有一定的影响，这种作用与真实应力作用相比可能并不明显，但是理论上是真实存在的，且直接影响着交界面处裂纹的发育。

由图8可知，冲击荷载作用下，M-C试样起裂破坏大多发生在远离煤岩交界面的黄泥岩中，加载初期黄泥岩中裂隙数目明显大于煤体。在应力波的持续作用下，当裂隙尖端应力大于“弱化”煤体强度时，交界面处黄泥岩中部分裂隙越过煤岩交界面发育到煤体中，进而诱发组合体发生整体性破坏，M-C试样破坏以劈裂裂纹扩展为主，部分伴随剪切裂纹发育。由煤岩组合体表面裂纹萌生、扩展以及止裂行为可知：远离交界面黄泥岩强度<交界面处黄泥岩强度<交界面处煤体强度<远离交界面处煤体强度。

注：图中黄色线条代表煤体裂隙，黑色线条代表岩石裂纹图8 黄泥岩-煤样试样变形破坏过程Fig.8 Deformation and failure process of M-C specimens

由图9可知，SM-C试样宏观起裂并不集中呈现在某一岩相，而是在煤岩组合体中随机出现。动载应力波作用下，SM-C试样主裂隙多以竖向(应力加载方向)裂隙发育为主，主裂隙在越过煤岩界面时，裂隙扩展方向基本不发生变化。随着冲击速度的增大，组合体煤、岩组分均愈发破碎，煤、岩组分均以张拉劈裂破坏为主。

注：图中黄色线条代表煤体裂隙，黑色线条代表岩石裂纹图9 砂质泥岩-煤样试样变形破坏过程Fig.9 Deformation and failure process of SM-C specimens

注：图中黄色线条代表煤体裂隙，黑色线条代表岩石裂纹图10 白砂岩-煤样试样变形破坏过程Fig.10 Deformation and failure process of WS-C specimens

由图10可知，冲击荷载初始加载阶段，WS-C试样宏观裂隙主要集中在煤体中，远离交界面煤体最先发生鼓胀破裂，白砂岩无明显宏观裂隙起裂，完整性较好。煤体裂隙扩展至煤岩界面时，大尺寸裂隙扩展、开裂路径被阻隔，煤体裂隙难以发育至白砂岩中。随着冲击速度的增大，根据格里菲斯强度理论，当裂隙尖端应力大于白砂岩强度时，白砂岩开始起裂破坏，主裂纹与加载方向呈较大夹角，且随冲击速度增大，白砂岩剪切破坏面不断增大增多。需要说明的是，冲击速度为7.2，8.5 m/s时，白砂岩在与杆件发生多次撞击后发生破坏，裂隙由边缘砂岩开始起裂，不具备分析价值。低冲击速度下，白砂岩被裂隙分割为块度较大的岩块，随冲击速度的增大，白砂岩破碎程度逐渐增大，由大块岩块过渡为小块，煤样也愈发破碎，破碎体块度由颗粒状向粉状过渡。由煤岩组合体表面裂纹萌生、扩展以及止裂行为可知：远离交界面煤体强度<交界面处煤体强度<交界面处白砂岩强度<远离交界面处白砂岩强度。

由图11可知，当冲击速度小于9.7 m/s时，BS-C试样宏观裂隙起裂破坏主要集中在煤体中，黑岩样无宏观裂隙发育；冲击速度大于10.7 m/s时，黑砂岩发生与加载方向夹角较大的主裂纹扩展，岩样呈单斜面剪切破坏。低冲击速率下，组合体试样岩组分损伤破坏程度较小，完整性较好，而煤体内部微裂隙较为发育，裂隙扩展发育较为复杂，破碎煤体呈颗粒状；随着冲击速度的增大，煤体裂隙最终穿过煤岩界面发育到黑砂岩中，砂岩被裂隙分割成大块岩块，而煤样破碎体逐渐向粉状过渡，由上述分析可知，煤岩组合体宏观裂纹起裂破坏大多发生在远离煤岩交界面强度相对较低的煤体或岩石端部，当裂隙发育至煤岩界面时，裂纹扩展开裂受到阻隔，但随着冲击速度的增大和冲击荷载的持续作用，当裂纹尖端应力大于煤体或岩石“弱化”强度时，裂纹将越过煤岩交界面继续发育。同种冲击速度下，BS-C和WS-C组合体煤样中裂纹的起裂、发育与M-C和SM-C相比具有明显的差异性，M-C和SM-C组合体煤样大多呈鼓胀劈裂破坏，煤体被裂纹分割成块状，BS-C和WS-C组合体煤样微裂隙充分发育，煤样破碎体呈颗粒状和粉状，煤体冲击显现更加剧烈。

图11 黑砂岩-煤样试样变形破坏过程Fig.11 Deformation and failure process of BS-C specimens

由2.2节可知，相同应力波作用下，WS-C试样吸收能占比大于BS-C，而煤岩组合体吸收能大多用于裂纹的萌生和扩展，仅从组合体表面裂纹发育角度，难以定量分析其破碎程度的差异性，获得不同岩性组合下煤岩组合体整体和煤、岩各组分的能量耗散和动力显现特征，因此，有必要对煤岩组合体的破碎特征开展分析。

2.5 破碎特征分析

图12 煤岩组合体破坏形态Fig.12 Failure modes of coal-rock combined samples

收集冲击破碎后的煤岩块体，获得不同冲击速度下煤岩组合体的破坏形态如图12所示，随着冲击速度的增大，煤岩组合体破碎程度逐渐加剧，破碎体块度逐渐减小，分级特征明显。相同冲击速度下，WS-C试样吸收能占比较大，但BS-C试样煤体却较为破碎，结合组合体在低冲击速度下的破坏形态可知，WS-C试样吸收能主要用于煤、岩两相组分裂纹的发育，而BS-C试样吸收能几乎全部用于煤体内部裂隙的发育，岩样完整性较好。煤岩组合体破坏后界面处部分破碎体仍以组合形式存在(图12)，说明煤岩组合体破坏过程更加复杂，在分析组合结构体变形破坏时不能单一的从煤体或岩体出发，应该考虑界面效应带来的影响，煤岩组合体破坏过程中煤、岩组分相互影响着彼此的能量耗散和动力显现特征。

为进一步分析煤岩组合体各组分的能量分配和动力显现特征规律，根据煤岩组合体碎块特征选取尺寸为25，20，16，10，5，2.5 mm的标准筛，对煤岩破碎体进行筛选称重，并以各孔径筛上累积质量百分比标定筛分试验结果，见表2。引入破碎块体的平均粒径直观反映煤岩组合体的破碎程度。

表2 煤岩组合体冲击荷载下煤体碎块筛分结果Table 2 Screening test results of impact fragments of coal-rock combined samples

(7)

式中,为不同孔径筛上滞留岩石破碎块度的平均尺寸；为筛孔尺寸为时破碎岩块质量分数。

利用碎块质量-等效边长关系计算试样的分形维数量化表征破碎块体的分布特征：

=3-

(8)

(9)

式中,为等效边长为时所对应的碎屑质量；为计算尺寸内碎屑的质量；为/(-)在双对数坐标下的斜率；/为等效边长小于的碎屑累计质量分数。

由图13可知，试样的分形维数随入射能的增大而增大，但高入射能下，组合体分形维数增大速率逐渐降低趋势，验证了3.2节吸收能占比与冲击速度曲线变化规律分析。值得注意的是，理论上相同入射能作用下，岩石强度越低，组合体破碎程度应该越高，破碎块体越多，分形维数越大，但相同入射能下，BS-C试件分形维数反而最大，WS-C、SM-C次之，M-C最小。结合煤岩组合体破坏形态(图13)和煤样破碎块体筛分结果(图14(a))分析，冲击速度为10.7 m/s时，BS-C试样岩组分整体性较好，破碎程度较低，而煤体平均粒径为6.52 mm，破碎程度明显大于相同冲击速度下其他组煤岩组合试样，其他冲击速度下不同组煤岩组合体破碎块体亦存在相同规律。由此可知，相同入射能下，随着岩石强度的增大，岩石更多起到了能量积聚和传递的作用，煤岩组合体吸收的能量更多的是用于煤体内部微裂隙的萌生、发育，导致煤体的破碎程度较大，在分形维数计算时，煤体的分形对组合体整体分形影响较大，致使煤岩组合体整体分形维数较大。由图14(b)煤样破碎块体平均粒径与岩石强度曲线可知，随岩石强度的增大，煤样破碎块体平均粒径逐渐降低。当岩石强度在0～45 MPa时，煤样破碎粒径近似呈线性迅速降低。当岩石强度大于45 MPa，相同冲击速度下，岩石强度对煤体动力显现的影响程度逐渐趋于极限。

图13 煤岩组合体分形维数与入射能的关系Fig.13 Relationship between the fractal dimension and the incident energy of coal-rock combined samples

图14 煤样破碎块体平均粒径与冲击速度和岩石强度关系Fig.14 Relationship between lumpiness mean particle size and impact velocity & rock strength of coal sample crushing block

3 讨 论

(1)SHPB试验中，对于煤岩单体而言，当应力达到峰值后，若峰值应力大于试样屈服强度，试样将发生不可逆破坏，应力-应变曲线呈开口型；若峰值应力小于试样屈服强度，试样发生塑性变形，但试样整体性较好，应力-应变曲线出现卸载段，卸载回路形成滞回圈，应力-应变曲线呈闭口型。对于煤岩组合体，其可以看做是2个串联的弹塑性体，冲击荷载作用下，M-C试样和SM-C试样中的煤岩组分固然均经历了压密阶段、弹性阶段、塑性阶段和峰后阶段，而WS-C试样和BS-C试样中的砂岩组分可能仅经历了压密阶段、弹性阶段和峰后应变恢复阶段。但由于煤岩力学特性不同，高应变率下，煤岩进入相应变形破坏阶段的时间和时长不同，应变响应规律亦不同。此外，当交界面处裂隙尖端应力大于“弱化”后砂岩强度时，可能动载荷并未达到砂岩屈服应力，但亦会引起砂岩试样破坏失稳，此时，煤体应变会继续增大而砂岩弹性应变会突然释放降低，导致不同组煤岩组合体应力-应变曲线形态各异。

(2)由煤样破碎块体平均粒径(图14)和煤岩组合体破坏形态(图12)可知，冲击速为9.7 m/s时，煤样破碎块体平均粒径随岩石强度的增大而逐渐降低。值得注意的是，此时BS-C试样黑砂岩组分无明显宏观损伤，完整性较好，说明试样吸收的能量几乎全部用于煤样的变形破坏，而此时，若要进步提高煤样破碎程度则需要提高冲击速度。由此可知，冲击速度对煤体冲击动力显现的影响大于岩石强度和波阻抗匹配效果。当冲击速度为7.2 m/s和11.8 m/s时，不同组煤岩组合体煤样破碎块体平均粒径差值的最大值分别为9.77，6.40 mm，也就是说冲击速度增大，引起试样与入射杆波阻抗的匹配效果的改变，对煤样破碎块体平均粒径的影响程度为3.37 mm，为岩石强度变化带来煤样破碎块体平均粒径差值的1/2～1/3。此外，WS-C试样中白砂岩波阻抗大于BS-C试样中黑砂岩的波阻抗，但是黑砂岩分形维数和煤样破碎粒径较小。由此可知，在煤岩组合体动力显现的影响程度方面冲击速度>岩石强度>波阻抗匹配效果。

4 结 论

(1)低冲击速率下，煤岩组合体与入射杆波阻抗匹配效果的差异性对煤岩组合体应力波传播的影响较大，但随着冲击速度的增大，波阻抗效应逐渐减弱。

(2)随冲击速度的增大，煤岩组合体最大动态峰值应力和峰值应变具有明显的应变率效应。入射能呈线性增大，反射能占比呈线性降低，吸收能占比近似呈幂函数增大。

(3)煤岩组合体的破坏是逐次进行的过程，宏观裂隙宏观起裂破坏大多发生在远离煤岩交界面强度相对较低的煤体或岩石端部，裂隙扩展至煤岩界面且尖端应力大于煤体或岩石“弱化”强度时，裂隙将越过煤岩交界面继续发育。煤体以张拉破坏为主，随岩石强度的增大，岩样破坏模式逐渐由张拉破坏向剪切破坏转变。

(4)在煤岩组合体破碎程度的影响方面，冲击速度>岩石强度>波阻抗差异性。随冲击速度和岩石强度的增大，煤岩组合体中煤体破碎程度逐渐加剧，煤样破碎粒径逐渐由块状向粉状过渡，分形维数逐渐增大。在煤岩组合体试样中，当岩石强度较大时，岩组分更多扮演着能量的积聚和传递的作用，为冲击能量积聚体，煤体为冲击能量显现体。

感谢合肥综合性国家科学中心能源研究院(安徽省能源实验室)，煤炭清洁利用与安全精准智能化平台研发(19KZS203)项目对本研究的资助。