随着浅层矿产资源的日渐减少和枯竭,为保障我国能源供应,煤炭资源开采逐渐转向深部。目前,我国已有多个煤矿进入千米以下的开采深度,深部岩体面临着高地温、高地应力、高渗透水压等复杂环境,特有的力学性质诱导了多种工程灾害的发生。其中,深部岩体大变形破坏较为常见。当前对大变形问题的研究多集中在岩石的力学性质和支护技术方面,但总体来说,研究多为工程个例,侧重技术应用,深层次的基础研究尚显不足。物质的微观结构决定宏观特性,从岩石本身的物理化学及力学性质出发,对岩石大变形破坏及水岩相互作用机理的研究具有十分重要的实际意义和理论价值。鉴于此,本文充分运用岩石力学、量子力学和分子动力学等多学科交叉理论,以深部岩体中最常见的矿物组分之一——方解石为研究对象,采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,系统研究了深部环境因素（如压力、温度、水等）作用下,方解石的晶体结构、电子性质及力学特性变化规律,从微观角度探索了深部岩体易发生大变形破坏的根本原因。主要研究内容如下:（1）采用第一性原理方法,计算了方解石在理想条件下（即零温零压）的晶格常数、电子结构和力学性质等。方解石晶体的晶胞参数为a=b=5.053（?）,c=17.282（?）,α=β=90°,γ=120°,计算结果与实验结果吻合较好,误差小于2%,验证了模型的可靠性。同时,方解石电子性质,如能带结构,态密度分布和电荷密度等的结果表明,方解石晶体具有间接带隙,带宽为5.137 e V,属于绝缘体;态密度图显示了其费米能级附近的态密度主要是由氧原子的2p轨道贡献,所以在方解石参加化学反应时,氧原子的活跃度强于钙原子和碳原子。最后,计算了方解石的弹性常数和力学性质参数。结果表明,弹性常数C11与C22的值远大于C33,表明方解石的z轴方向比x轴与y轴方向更易压缩。零压下方解石的体积模量、剪切模量和杨氏模量的计算值分别为71.80 GPa,33.48 GPa,86.93 GPa,表明方解石是具有高度共价键合的韧性材料。（2）通过对比方解石及其高压相矿物在压力作用下的体系焓值和相对稳定性,得到在0～25 GPa压强范围内方解石最稳定的结构序列依次是calcite-Ⅰ（0～1.51GPa）,calcite-Ⅱ（1.51～2.25 GPa）,calcite-Ⅲ（b）（2.25～3.14 GPa）,calcite-Ⅲ（3.14～15.25 GPa）以及calcite-Ⅵ（15.26～25 GPa）。从整体趋势上看,在最稳定压力变化区段,方解石及其高压多晶型矿物的弹性模量逐渐增大,说明在压力作用下,方解石抵抗体积变形及剪切破坏的能力增强,其压缩波速和剪切波速也随着压力的增大而呈现出增大的趋势。（3）根据密度泛函微扰理论和准谐波近似的分子动力学方法,计算了温度对方解石的热力学稳定性及力学性质的影响。方解石晶体的声子色散曲线在整个布里渊区的积分路径范围内都没有虚频,说明方解石在0～1000 K温度区间均是热力学稳定的。不同温度下方解石的力学性质计算结果表明,温度升高导致晶体内部各原子之间的键合强度逐渐降低,体积模量、剪切模量和杨氏模量等力学性质指标均表现出缓慢下降的趋势,方解石的韧性减弱,脆性增强。（4）系统研究了不同覆盖度范围（0＜（?）≤1.0 ML）的水分子在方解石（104）表面的吸附特性以及吸附前后水分子和方解石表面结构、态密度和电荷密度分布的差异。计算结果表明,单个水分子在方解石表面的洞位吸附是最稳定的,其吸附能最高,约为0.89 eV,其次是桥位吸附和顶位吸附,能量分别是0.71 eV和0.64eV。随着水分子的覆盖度从0.125 ML增大到0.5 ML,三种吸附位置的吸附能都略有增加,这表明方解石（104）表面对水分子具有明显的吸引作用,并且水分子有形成团簇的趋势;当覆盖度大于0.5 ML后,吸附能随着覆盖度的增加而逐渐降低,这是由于方解石表面水分子数量增多,相邻水分子之间的排斥力增强。当一个水分子扩散至方解石内部后,方解石的体积模量,剪切模量,杨氏模量分别下降了5.09%,23.06%和21.05%,说明内部水分子会导致方解石抵抗体积和剪切变形的能力下降。（5）矿物具有较强的吸附掺杂能力,讨论了几种常见杂质离子(Mg2+、Mn2+、Fe2+)对方解石晶体结构、电子性质及力学性质的影响,对比不同种类及个数的杂质离子在方解石内部的形成能,得到了方解石的掺杂机制。掺杂后方解石的总态密度峰值有所降低,能带结构的带隙变窄。方解石的体积模量、剪切模量和杨氏模量均显著降低,表明方解石晶体抵抗弹性变形的能力降低,但硬度略有增加。锰和铁属于过渡金属,其离子掺杂对方解石晶体结构、电子性质及力学特性的影响远大于镁离子。综上所述,本文从岩石的物质构成出发,基于量子力学理论的第一性原理计算方法,对深部矿产资源开采和岩土工程中常见的岩石组分——方解石的晶体结构、掺杂机制、水理特性和力学性质进行了系统全面的微观研究,揭示出方解石微观力学特性及其对宏观变形特征影响的内在本质,从量子力学角度解释了深部复杂环境中岩石容易发生大变形破坏的微观机理。