软岩水理特性的第一性原理研究

随着深部资源开采规模的扩大，在深部开采工程中会大量涉及到与深部软岩物理、化学性质和力学特性有关的工程问题；其中所遇到的一个关键问题是软岩遇水软化的特性造成巷道围岩大变形乃至塌方。本项目重点研究在深部环境下软岩主要成分粘土矿物的物理、化学性质和力学特性。我们采用第一性原理计算方法和深部软岩水理实验仪，综合研究粘土矿物吸附水前后各种能量、电子结构、内部成键等物理、化学信息的变化，而这些变化是引发软岩性能改变的内在因素，从而导致了一系列的深部软岩巷道大变形问题。我们经过第一性原理计算所得出的软岩电子结构、能带结构、吸附能、形成能等理论结果再结合软岩实验数据进行分析，可进一步了解软岩的物理、化学性质和力学特性。本项目的研究结果对解决矿井大变形问题、深部矿井设计工程等一系列紧密相关的重要基础问题有很大的指导作用。

本项目以深部资源开发为背景, 针对在深部开采工程中大量涉及到软岩遇水软化特性而造成巷道围岩大变形乃至塌方的工程问题, 采用第一性原理计算方法和深部软岩水理实验仪对在深部环境下软岩主要成分粘土矿物的物理、化学性质和力学特质进行了系统研究，取得了重要进展。包括：（1）根据相关实验数据建立了粘土矿物中主要成分纯净高岭石微观分子结构；（2）根据相关实验数据建立了粘土矿物中常见的三种蒙脱石微观分子结构；（3）给出了高岭石单杂质和多杂质微观掺杂机制；（4）给出了蒙脱石单杂质掺杂微观机制；（5）研究了微观体系下高岭石表面和内部与水的相互作用；（6）宏观研究了不同粘土矿物成分的水理特性和强度软化特性；（7）研发了具有深部软岩吸水特性的实验设备与软件系统。项目按计划任务内容完成了相关研究工作，经费支出合理，达到了预期目标。项目研究期间，共发表SCI论文6 篇，其中1篇评为美国粘土矿物学会会刊《Clays and Clay Minerals》封面文章；申请国家发明专利2项；培养毕业博士后2 名，博士研究生 2 名，硕士研究生 1 名；研究成果具有一定的国际影响力，极大推动了软岩遇水大变形机理的进展。