软岩的多掺杂机制和其对软岩水理作用影响的第一性原理研究

在深部资源开采过程中，会遇到大量由水引起的岩石力学与工程问题，例如软岩遇水软化或膨胀诱发的大变形问题。当前对这些问题的研究多集中在软岩的工程力学性质和工程支护技术方面。而物质的微观结构决定宏观性质，本项目拟从软岩的物质构成出发对软岩的水理作用进行深入研究。首先采用第一性原理方法研究软岩的主要组分，即掺合多种杂质的黏土矿物的微观形成机制以及黏土矿物掺合杂质后，其电子结构、能带结构，内部成键等的变化；进而研究掺合多杂质的黏土矿物表面及内部与水之间的相互作用，分析水对软岩的物理、化学性质和力学特性的影响。同时结合软岩水理作用实验研究，得出多掺杂对软岩水理作用的影响机制，以期对深部软岩遇水作用的工程问题提供一条新的研究方法。

在深部资源开采过程中，会遇到大量由水引起的岩石力学与工程问题，例如软岩遇水软化或膨胀诱发的大变形问题。当前对这些问题的研究多集中在软岩的工程力学性质和工程支护技术方面。本项目从软岩的物质构成出发对软岩的变形机理进行深入的研究，同时进行大量的软岩水理实验，对软岩的多掺杂机制及其对水理作用的影响进行了理论结合实验的全面研究，取得了重要进展，包括：（1）在建立的粘土矿物中主要成分高岭石的分子结构基础上，对高岭石的双掺杂机制进行了理论计算，揭示了杂质在高岭石中存在的原因；（2）同理利用第一性原理方法，对蒙脱石的双掺杂机制进行了理论计算；（3）深入研究了对粘土矿物高岭石的分子结构的影响并进行了定量分析；（4）深入研究了微观体系下高岭石表面和内部与水的相互作用，在此基础上研究了主要杂质成分对高岭石与水分子相互作用的影响；（5）利用第一性原理方法研究杂质存在的另一种吸附形式存在的微观机制；（6）选取莫高窟北区岩样，进行了X射线衍射，SEM电镜扫描和压汞实验。（7）选择莫高窟的黑色砂岩、泥岩、粉砂岩三种岩性的样品进行了液态水吸附特性和吸水强度软化试验；（8）从宏观实验分析了岩石粘土矿物成份对吸水特性的影响。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。项目执行期间，项目负责人何满潮，于2013年11月当选为中国科学院院士；发表SCI论文6 篇，EI论文1篇；培养出站博士后1 名，毕业博士研究生 2 名，硕士研究生 3 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。