热水钻是目前世界上冰层钻进速度最快的一种钻进方法,对于极地冰下环境科学考察有着极为重要的作用。然而,当热水钻在雪层钻进过程中热水将透过雪层间隙大量漏失,造成孔壁破坏和能源浪费,因此需要利用其它钻进方法对热水钻进行雪层开孔作业。本文对目前国内外大直径钻具的研究现状进行了总结和归纳,详细介绍了热水钻开孔用热融钻头的两种换能方式,即热流体式与电热融式,并结合其技术特点,针对世界上大直径粒雪层热融钻进种类稀少且缺少相关针对性理论分析的研究现状,对热融钻头在雪层钻进时的钻进机理开展理论和实验研究,填补雪层热融钻进的理论空白。通过查阅文献,开展了理论分析和数值模拟,进行大直径热融钻头的结构设计,研发了一套完整的大直径粒雪层电热融钻进系统。论文主要取得了以下研究成果:(1)通过建立热融钻头融雪过程的理论模型,得出传统的热融钻冰层钻进机理并不适用于雪层钻进的结论,雪层热融钻进必须要考虑融水下渗作用的影响。雪层热融钻进过程中,融水将携带热量在钻孔底部进行重复热交换,这一过程会增加钻具在雪层和粒雪层中的钻进速度。为了获取融水对热融钻进的具体影响程度,采用理论计算与实验验证的方法,得到量化后的热融钻进下渗能量利用率为4%-8%,热量损失率为2%-4%。通过分析实验数据,得出雪层温度对钻进速度的影响区间为11%-13%。同时,考虑极地冰盖雪层密度与深度的关系,建立了钻进施工周期、钻孔深度和加热功率之间的关系公式,这将为我国未来南极雪层热融钻进相关研究领域提供可靠的理论指导与技术支持。(2)通过文献调研和理论分析,确定了热融钻头的本体形状;结合电热组件的相关性能参数,利用COMSOLMultiphysics软件对多种热源结构形式热融钻头的温度场分布进行了数值模拟,根据数值模拟结果来指导热融钻头的选型、结构设计。模拟结果表明,在锥形热融钻头三种热源分布形式中,采用螺旋盘管作为热融钻头表面时,其热量分布最为均匀,但存在一定冷区。为了消除热融钻头底部冷区,开展钻头底部加热头设计:采用锥形、抛物线形、圆台、组合曲线以及非标准曲线作为底部铜体钻头的五种初始结构形式,开展数值模拟研究,得出非标准曲线结构最适用于热融钻进。结合理论计算及数值模拟分析结果,确定大直径热融钻头优选功率分配方式为:上部盘管采用25kW供电,下部铜体加热头采用5kW供电。(3)设计并研发了一套完整的大直径粒雪层热融钻进系统,包含了钻进、抽水、供电、检测控制以及除水五个子系统。各子系统通过移动控制箱进行统一控制,可实现钻进、供电、排水作业的协同控制。整体系统设计安装于极地雪橇上表面,方便极地现场环境中的安装与运输。热融钻进系统设计最大功率为30kW,干烧安全功率为8kW;热融钻头设计钻进孔径为500mm,钻头锥度为-15°。系统绞车最大载荷能力为2t,钢缆具备8t的极限提升力。检测控制系统可实时监测、记录整个系统的钻进参数与运行参数,并实时显示在上位机LabView软件中。除水系统采用泵体将融水实时输送至地表的抽水方案,孔内设计最大排水深度为117m;采用空压机吹水作为管路残留水除水方案,空压机流量1m~3/min,保证系统在极地低温条件下长期储存与使用。(4)对大直径粒雪层热融钻进系统钻进能力进行了理论预测与实验研究,根据其不同的钻进条件和地层参数,得到了其在相应条件下的钻进规律。在构建的大直径粒雪层热融钻进试验台并开展了进行了25组钻进实验,最大钻进深度为1.8m,最大钻进速度可达3.2m/h,最大钻孔直径为510mm。同时,采用实验方法验证了系统中排水系统的可行性:排水水系统可实现117m的泵送扬程,满足为热水钻提供开孔作业的需求;所采用除水方案可将管路内91.6%的水泵出,验证了空压机除水方案的可行性;对除水系统管路开展了防冻液泵送实验,验证了系统可满足极地环境中的使用及存放需求。(5)将大直径雪层/粒雪层热融钻进实验结果与理论分析进行对比,实验所得数据的分布与理论计算所得的结果相符合,验证了了理论分析和模拟结果的准确性。