Сектор добычи полезных ископаемых полностью зависит от внедрения новых технологий и тесно взаимосвязан с сектором энергетики и переработки. С развитием технологий открывается большое разнообразие альтернативных источников энергии (ветряные фермы, солнечные электростанции, гидроэлектроэнергия, геотермическая энергия или биотопливо), но минеральные и ископаемые ресурсы все еще являются основным топливом для мировой экономики, напрямую зависящей от источников постоянной энергии.

Исследование новых ресурсов и разработка новых технологий являются важнейшими драйверами в разведке, добыче и промышленной переработке нефти, газа и минералов.

Если сравнивать с процессом производства оборудования и комплектующих, то горнодобывающая отрасль зачастую основана на тех же производственных процессах: от разработки технического задания до проектирования, испытаний, производства и монтажа оборудования на месте. Но наибольшие отличия могут быть обнаружены при проведении натурных испытаний, в которых крайне сложно воспроизвести реальные полевые условия работы оборудования. Только представьте, как сложно протестировать на испытательном полигоне горнодобывающий экскаватор или бурение многокилометровой скважины.

Самой большой и тяжелой горнодобывающей машиной в мире является роторный экскаватор на месторождении Богатырь (Казахстан). С пилой 12 м в диаметре, весом 45000 тонн и управляемый 27 горняками, этот монстр способен добывать более 4500 тон каменного угля в час.

Самая глубокая скважина в мире расположена на севере Кольского полуострова. В 1980-х годах она достигла 12 км вглубь земной коры. Сравнительно недавно, в 2011 году, компания Exxon Mobil зарегистрировала еще более глубокую скважину на востоке России глубиной более 12 км.

Это только два невероятных примера инженерных разработок в производстве горнодобывающего оборудования. Любой процесс проектирования подобных конструкций и систем должен сопровождаться новейшими инженерными и проектировочными решениями для того, чтобы уменьшить время, риск ошибки и снизить финансовые затраты. Инженерные расчеты и компьютерное моделирования позволяют оперативно вносить и проверять изменения в конструкции, тем самым значительно снижая затраты на реальные испытания прототипов, а также непрерывно улучшая качество и производительность конечного изделия.

Для компаний, внедряющих практики моделирования процессов добычи, транспортировки и непосредственно работы оборудования, выбор надежного партнера в области инженерного анализа играет важную роль, особенно в случаях, когда требуется выполнять полный спектр расчетов, от анализа прочности и температурных полей до решения задач гидравлики и газодинамики.

Типы горнодобывающего оборудования

На протяжении веков мы использовали одинаковый процесс добычи для соли, угля, золота и серебра, металлической руды. Различия начинаются с переработки и обогащения - этапов, которые имеют свои особенности для каждого вида полезных ископаемых.

Горнодобывающая отрасль может быть условно разделена на пять основных сегментов: добыча угля, газа и нефти; добыча металлической руды; добыча неметаллических минералов и сопутствующая деятельность, например, транспортировка ископаемых. В каждом сегменте используется специальное оборудование, но есть несколько типов оборудования, которые используются во всей отрасли:

Экскаваторы – машины, предназначенные для вскапывания и забора земли, песка, и тд. Размеры и критические условия работы требуют оптимизации машины и её комплектующих, которая основывается на результатах линейных и нелинейных задач статики и динамики.

Драглайны – огромные землеройные машины, используемые для снятия верхнего слоя земли и обнажения нижележащих слоев угольных или минеральных месторождений. Драглайны одни из самых больших машин на земле, которые могут захватывать сотни тонн грунта за один проход.

Буры – горняки при добыче угля и минералов используют буры для создания протяжной серии отверстий, которые они впоследствии заполняют взрывными зарядами, для проведения взрывных работ и отделения слоев горных пород от массива – процессов, которые также могут быть промоделированы с помощью специализированных программных продуктов типа Ansys AUTODYN.

Анкероустановщик – большие машины с гидравлическим приводом, которые используются для затягивания болтов в кровлю. Шахтеры используют кровельные болты в качестве поддержки сводов туннелей и предотвращения подземных обвалов.

Короткозабойный проходческий комбайн – машины с массивным вращающимся рядом зубьев, часто изготовленных из карбида вольфрама. В угольной добыче такие машины используются для соскребания угля с залежей. В отдельных опасных ситуациях работники управляют роботизированным комбайном удаленно.

Очистной комбайн – в отличие от короткозабойного проходческого комбайна, очистные комбайны захватывают большие прямоугольные секции угля вместо его постепенного соскребания. Очистные комбайны состоят из нескольких больших шнековых барабанов и самоподдерживающей гидравлической системы, поддерживающей потолок пласта по мере очистки.

Осланцеватели – это оборудование под высоким давлением, которое горняки используют для распыления инертной минеральной пыли над сильно воспламеняющейся угольной пылью. Инертная пыль позволяет предотвратить аварийные пожары и взрывы.

Транспортные тележки и скреперные погрузчики – некоторые горняки используют электрические транспортные тележки для транспортировки угольных пластов в безопасные места в шахте. Таким образом, шахтеры могут использовать стандартные скреперные погрузчики или транспортные средства, чтобы полностью вывезти груз из шахты. Горняки всех типов используют транспортные средства для выполнения различных задач.

Буры – горняки при добыче угля и минералов используют буры для создания протяжной серии отверстий, которые они впоследствии заполняют взрывными зарядами, для проведения взрывных работ и отделения слоев горных пород от массива – процессов, которые также могут быть промоделированы с помощью специализированных программных продуктов типа Ansys AUTODYN.

Анкероустановщик – большие машины с гидравлическим приводом, которые используются для затягивания болтов в кровлю. Шахтеры используют кровельные болты в качестве поддержки сводов туннелей и предотвращения подземных обвалов.

Короткозабойный проходческий комбайн – машины с массивным вращающимся рядом зубьев, часто изготовленных из карбида вольфрама. В угольной добыче такие машины используются для соскребания угля с залежей. В отдельных опасных ситуациях работники управляют роботизированным комбайном удаленно.

Очистной комбайн – в отличие от короткозабойного проходческого комбайна, очистные комбайны захватывают большие прямоугольные секции угля вместо его постепенного соскребания. Очистные комбайны состоят из серии больших отрезных ножниц и самоподдерживающей гидравлической системы, поддерживающей потолок пласта по мере очистки.

Осланцеватели – это оборудование под высоким давлением, которое горняки используют для распыления инертной минеральной пыли над сильно воспламеняющейся угольной пылью. Инертная пыль позволяет предотвратить аварийные пожары и взрывы.

Транспортные тележки и скреперные погрузчики – некоторые горняки используют электрические транспортные тележки для транспортировки угольных пластов в безопасные места в шахте. Таким образом, шахтеры могут использовать стандартные скреперные погрузчики или транспортные средства, чтобы полностью вывезти груз из шахты. Горняки всех типов используют транспортные средства для выполнения различных задач.

Моделирование горнодобывающего оборудования

Оптимизация для этих типов горнодобывающего оборудования требует использование специальных типов инженерного анализа:

• Оборудование для добычи минеральных ископаемых – линейные, нелинейные и динамические расчеты прочности;
• Ленточные и другие виды транспортировки – динамический расчет конструкции;
• Крупные просверленные отверстия и элеваторы – динамический расчет прочности;
• Промышленные водопроводы, насосы, резервуары – мультидисциплинарные расчеты гидрогазодинамики (Computational Fluid Dynamics, CFD);
• Подземные вентиляционные трубы – прочностной расчет, CFD, термодинамический расчет;
• Монтаж кровли в шахтах - прочностной расчет
• Мельничное оборудование - прочностной расчет, CFD

Рассмотрим линейный расчет прочности кронштейна колесного погрузчика. На рисунке выше показан результат расчета - поля эквивалентных напряжений по Мизесу. Результаты показывают относительное движение деталей конструкции и в это же время позволяют оценить напряжения, возникающие в них. Инженеры могут улучшить конструкцию на ранних стадиях проектирования не прибегая к производству прототипа конструкции. Данные расчеты были проведены для того, чтобы определить, какие усилия возникают в гидравлических цилиндрах при действующей нагрузке.

Ознакомиться с другими материалами по теме:

Расчеты динамики и прочности бурового оборудования

Расчет динамики горного перфоратора для бурения шпуров

CFD-расчет вентиляции в подкапотном пространстве карьерного самосвала

Расчет вентиляции производственных помещений методами вычислительной газодинамики

Моделирование и инженерный анализ вибраций и прочности машин