深部软岩巷道工程中主要问题是软岩遇水膨胀导致巷道大变形,为了深刻揭示软岩吸水膨胀的机理,很有必要对软岩中高岭石吸附特性进行研究。为此,本文运用第一性原理计算方法,对高岭石微观结构、高压状态、吸水特性进行计算模拟,并进一步研究了高岭石对重金属的吸附特性。1、介绍国内外关于软岩粘土矿物高岭石吸附水和重金属的实验研究现状,实验研究结果多受实验条件和外界杂质的影响,导致得到的结果不尽人意,而理论研究又未全面展开。为了从微观角度揭示高岭石吸附机理,采用第一性原理方法对高岭石的内部信息进行研究,其中简要介绍了研究的理论基础和主要方法。2、建立粘土矿物高岭石的结构模型,并对其进行第一性原理计算,得到了粘土矿物高岭石的态密度与能带结构。为了模拟软岩巷道工程的高压环境,研究了应力条件对高岭石结构的影响。研究发现应力条件会改变高岭石结构离子键键长,并且通过对高岭石态密度和能带图的分析可以发现,随着应力的增加,高岭石带隙宽度变大。在0.6Gpa、66.3GPa和76.5GPa应力条件下,粘土矿物高岭石能带结构产生间接带隙和直接带隙之间的转变。随着应力增加,粘土矿物高岭石Al原子和O原子态密度峰值减少,电子离域性增强,其化学键强度增加,表明随着应力增加金属离子与高岭石内部的Al离子交换减弱。3、结合工程实际中存在的高应力条件,进行了高岭石在高应力条件下吸水特性的研究。通过研究不同应力条件水分子在高岭石top位、bridge位和hollow位吸附情况,发现水分子在不同吸附位具有不同的稳定吸附距离。水分子在bridge位点的吸附情况最好,top位点次之,hollow位点最差。在单个水分子吸附的基础上,还研究了多个水分子在高岭石表面吸附的情况,研究发现随着高岭石吸水率的增加,高岭石吸附结构越稳定,当外界应力为4～6GPa时,高岭石对多个水分子吸附效果最好。4、通过高岭石结构表面、内部和间隙三种吸附形式,分别对As、Cd、Cr和Pb四种重金属吸附特性进行研究。研究表明三种吸附形式中表面吸附效果最好,另外粘土矿物高岭石表面对四种重金属离子的吸附为Cr>As>Pb>Cd。高岭石内部吸附重金属Cr效果最好,重金属Pb和Cd在高岭石内部的吸附性最差,重金属Pb需要在高温条件下才能稳定吸附。四种重金属都很难在高岭石间隙位被稳定吸附。研究结果表明,粘土矿物高岭石对重金属Cr和类金属As的吸附效果最好,对重金属Pb和Cd的吸附最差。