深部矿井高温高应力蒙脱石结构及其力学特性微观机理研究

In the process of mineral resources exploitation, there are plenty of engineering problems closely related to mechanical properties of soft rock which directly affect the coal mine safety production and endanger personal safety. The soft rock mechanics problems are usually studied by means of phenomenological constitutive, for example, elastic-plasticity and continuum damage mechanics. However, the macroscopic property of material depend on the internal microscopic structure. The proposal intends to study the mechanical properties of soft rock rich in clay mineral under high pressure and temperature condition in deep mining from the microscopic view. Firstly, we build precisely atomic structure of clay minerals such as kaolinite and montmorillonite and calculate the elastic constants, anisotropy, stress-strain relationship and strength using the first-principles calculation methods based on quantum mechanical theory. Furthermore, we calculate pressure and temperature external environmental factors effects on the mechanical properties of soft rock deeply. At the same time, we also test the samples of clay minerals in typical area of mining under uniaxial and triaxial compression. Finally, we eventually establish the corresponding relation of micro mechanical and macroscopic mechanical characteristics of clay minerals and the influence law of environmental factors on it. We expect that the results of micro mechanical characteristics of soft rock could be helpful to understand rock mechanics problems more deeply and systematically, also provide the fundamentals for the safe and efficient mining of mineral resources.

在矿产资源开采过程中，会遇到大量与软岩力学特性密切相关的工程问题，直接影响煤矿安全生产和危及人身安全。当前对软岩力学问题的研究多从宏观角度出发，然而物质的微观结构决定宏观性质。本项目拟从软岩粘土矿物的物质构成出发，对矿井开采高温高应力环境下软岩粘土矿物主要成分蒙脱石的晶体结构和力学特性进行深入系统的微观研究。利用基于量子力学的第一性原理计算方法，精确构建蒙脱石晶体的分子结构，在此基础上计算其弹性常数，各向异性，应力应变关系和强度等。进而结合实际矿井环境，计算高温高应力对蒙脱石微观分子结构和力学特性的影响规律。同时对比分析相应的单轴和三轴压缩实验数据，最终揭示高温高应力环境下蒙脱石微观力学特性对其宏观变形特征的影响机理，从而加深人们对软岩力学问题的认识和理解，为深部矿产资源的安全高效开采提供理论基础和支持。

矿井软岩在深部高温、高地应力复杂环境中，其特有的力学特征诱导了多种工程灾害的发生，直接影响煤矿安全生产和危及人身安全。软岩的矿物成分对其宏观力学特性有着重要影响。本项目从软岩的物质构成出发，利用基于量子力学的第一性原理计算方法对高温高压条件下软岩主要成分蒙脱石晶体结构和力学特性进行了深入的微观研究，同时利用实验室自主研发“深部软岩温度-压力耦合作用实验系统”进行了富含蒙脱石岩样的单轴和三轴压缩实验，对比分析相应的微观数值结果和室内实验数据，得到了以下主要结论：1、建立了软岩黏土矿物主要组分蒙脱石微观晶体结构，获得了弹性常数关系及力学参数，得出了蒙脱石晶体垂直晶面方向的弹性常数明显小于平行于晶面方向的重要结论，从微观角度揭示其各向异性力学行为特性。2、得到了蒙脱石晶格参数随压强增大而逐渐减小的变化规律且体积压缩与压强呈函数关系，揭示了压强作用下蒙脱石内部原子电荷密度变化是导致晶体结构变形的内因，获得了蒙脱石力学参数随压强增大而增大的变化规律且沿堆垛方向的变化更为明显的结论。3、得到了蒙脱石晶格参数随温度增大而逐渐增大的变化规律且体积膨胀与压强呈函数关系，通过热力学参数揭示晶体内部原子热运动导致原子间键合强度降低是体积变形的主要原因，获得了蒙脱石力学性质参数随温度升高而逐渐减小的变化规律。原子尺度的数值计算研究不仅可获得宏观实验手段难以得到的微观信息，还可以为宏观实验和经验理论提供依据，互为佐证，最终揭示出黏土矿物蒙脱石微观力学特性及其对宏观变形特征影响的内在本质。本项目研究结果加深了人们对软岩力学问题的认识和理解，为深部矿产资源的安全高效开采提供理论基础和支持。在国家自然科学基金委的支持下，通过课题组所有成员的共同努力，项目顺利完成，发表SCI收录学术论文6篇，出版著作1部；培养博士和硕士研究生共4名，其中毕业硕士研究生1名。