способ снижения динамических воздействий вулкана на окружающую среду при его извержении

Формула изобретения

1. Способ снижения динамических воздействий вулкана на окружающую среду при его извержении, включающий создание разрыхленной зоны в склоне вулкана под пробкой кратера и канала отвода магмы методом направленного взрыва, отличающийся тем, что вокруг кратера создается шатровидная конструкция, состоящая из металлической наэлектризованной сетки с ребрами жесткости, которая с помощью воздушных шаров или дирижаблей поднимается на должную высоту вверх и управляется дистанционно посредством тросов с натяжными устройствами, дополнительно к нижней части конструкции по ее периметру прикреплен фартук из высокопрочных и жаростойких полимеров, что позволяет ограничить разлет камней, щебня и песка, а также отфильтровать поток пепла от дисперсных частичек.

2. Способ снижения динамических воздействий вулкана на окружающую среду при его извержении по п.1, отличающийся тем, что вокруг кратера и по склонам вулкана проложены трубы с форсунками, по которым нагнетается вспенивающая или жаропоглощающая жидкость, которая коогулирует частицы пепла и способствует их выпадению вблизи кратера.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, в частности к вопросам экологической безопасности, и может быть использовано при строительстве городов и инженерных объектов, а также при разработке полезных ископаемых вблизи действующих вулканов. Актуальность изобретения.

В этом году произошел взрыв вулкана в Исландии. Облако пепла на неделю прервало все полеты самолетов, что принесло убытку 4 млрд дол. и много неприятностей людям. Со всей фантастической техникой 21 века никаких воздействий на облако пепла по очистке воздушного пространства Европы не производилось.

Ученые точно спрогнозировали момент извержения и известили население. Но никаких рекомендаций по устранению облака пепла не дали. У нас на Камчатке много действующих вулканов и загрязнение воздушного пространства происходит чаще, чем в Исландии.

Местные власти предприняли некоторые действия: прорыли отводной канал для магмы и поливали магму из пожарных шлангов. Эти меры дали положительный результат. Вот и все. В общем, меры не достаточные и актуальность создания способа снижения динамических воздействий вулкана на окружающую среду и, в частности, для очистки воздушной среды от облаков пепла является актуальной задачей.

Известен способ снижения динамических воздействий вулкана на окружающую среду при его извержении, включающий комплекс исследований в полном объеме, согласно которому определяют возможный гипоцентр землетрясения и вероятный срок извержения вулкана, глубину залегания и напряженность блочной системы опорного пояса, глубину зоны скопления магмы и зоны возможного ее плавления, на основании полученных данных создают разрыхленную зону в склоне вулкана под пробкой кратера, при этом в зависимости от рельефа местности и глубины зоны скопления магмы, а также глубины залегания опорного пояса бурят скважины с поверхности или из штольни, проводимой для этой цели к центру вулкана, причем буровые скважины используют для предварительного ослабления горного массива на первом этапе путем гидроразрыва, а на втором этапе ослабления массива используют выщелачивание, после создания разрыхленной зоны создают канал отвода магмы методом направленного взрыва [1].

Данный способ в какой-то мере снизит сотрясательное воздействие извержения на поверхность земли, что совместно с повышением сейсмостойкости зданий сохранит близлежащие города. Излияние магмы тоже приведено в управляемое русло. Однако извержение вулкана сопровождается еще и разбросом камней и пепла на большие площади. Но вопрос снижения влияния этих факторов ни в этом способе, ни в других не рассматривается [2, 3, 4].

Вышеприведенный способ взят нами в качестве прототипа [1]. Предлагаемое изобретение является по сути его расширением. Но, в целях уменьшения затрат и сокращения объемов работ и срока ввода фильтрационного объекта в эксплуатацию, данный способ можно применять самостоятельно (без бурения дорогостоящих скважин).

Целью изобретения является создание способа снижения влияния выброса камней и пепла в процессе извержения вулкана на окружающую среду, особенно дисперсных частиц пепла, которые разносятся на значительные расстояния и, находясь в атмосфере, препятствуют сообщениям аэрофлота. Данная цель достигается путем создания вокруг кратера вулкан шатровой конструкции из наэлектризованной металлической сетки с ребрами жесткости и свисающим фартуком из высокопрочных и жаростойких полимеров. Шатровая конструкция поднимается на должную высоту с помощью воздушных шаров (стратостатов) или дирижаблей.

Из всего многообразия полимеров в экстремальных условиях извержения вулкана наиболее приемлемы УГЛЕПЛАСТИКИ. Наполнителем в этих полимерных композитах служат углеродные волокна, которые получают из синтетических и природных волокон на основе целлюлозы, сополимеров акрилонитрила нефтяных и каменноугольных пеков и т.д.

На основе углеродных волокон и углеродной матрицы создают композиционные углеграфитовые материалы, способные долго выдерживать в инертных или восстановительных средах температуры до 3000 град. Углепластики очень легки и в то же время прочные материалы [5]. Например, полимер этого класса, названный «Хайпол», обладает следующими параметрами: рабочая температура до 2000 град, химическая инертность к окислительным средам, не горит, в 1,5 раза легче алюминия (htt://highpol.com/). Вызывает интерес последняя разработка российских ученых - полимер ГРАФИН, обладающий особенными и экзотическими свойствами (htt://newchemistry.ru/). Углеродные тонкие пленки, полученные из этих полимеров, могут быть использованы в качестве фартука указанной выше конструкции. Т.к. все углепластики хорошо проводят ток, то наэлектризованный фартук, кроме оградительных функций, может сам коагулировать и абсорбировать взвешенные микрочастицы пыли.

Материалом для воздушных шаров обычно служат эластомеры, т.е. природные или синтетические каучуки. Каучук обладает способностью обратимо растягиваться до 900%. На конструкции закрепляются научная аппаратура, датчики, видеокамеры, передатчики видео- и телеметрической информации, источник электризации сетки и питания научной аппаратуры(ветряк). Подачу электроэнергии дублировать с земли по проводам, прикрепленным к натяжным тросам.

Грузоподъемность шаров практически не ограничена. На фиг.1 представлен вертикальный разрез толщи пород: 1 - кратер, 2 - жерло, 3 - пробка, 4 - скопление магмы и газа, 5 - отводной канал магмы, 6 - опорный пояс, 7 - город, 8 - зона возможного плавления, 9 - поле физического воздействия (вибрационное, магнитное или ультразвуковое), 10 - разрыхленная зона, а также вид на металлическую шатровую конструкцию сбоку:

14 - металлическая сетка с ребрами жесткости 15, 23 - полимерный фартук, 25 - натяжное автоматическое устройство с тросом - 24, 21 - предохранительный клапан, 1 - воздушный шар (стратостат) или дирижабль, 13 - аппаратурный отсек, 22 - научно-инструментальный пояс с датчиками - 16, трубопровод с форсунками 17, электрический источник питания (ветряк) - 12, спутниковый ретранслятор - 19, наземная камера наблюдения - 18, воздушная камера наблюдения - 20.

На фиг.2 представлен вид на конструкцию сверху:

15 - ребра жесткости (обручи), 21 - предохранительный клапан, 22 - научно-инструментальный пояс, 23 - полимерный фартук, 24 - трос, 25 - натяжное автоматическое устройство, 18 - наземная камера наблюдения.

С момента пробуждения вулкана начинают подготовку к осуществлению проекта по охране окружающей среды, заранее разработанного, частью которого является реализация задач данного изобретения: определяют возможный гипоцентр землетрясения и вероятный срок извержения вулкана, глубину залегания и напряженность блочной системы опорного пояса, глубину зоны скапливания магмы и зоны возможного плавления магмы. На основании научных данных проводятся мероприятия по созданию разрыхленной зоны в целях облегчения выхода магмы на поверхность, строится отводной канал, а также проводятся мероприятия по другим пунктам проекта.

Параллельно на ровной поляне вблизи вулкана собирается шатровая конструкция из готовых элементов. Конструкция проста и может быть собрана в короткое время. Конструкция оснащается датчиками, научной аппаратурой, элементами слежения и автоматического управления. Шары (стратостаты) наполняются газом, вся конструкция поднимается в воздух на небольшую высоту, и тросами с помощью машин транспортируется к вулкану, и закрепляется с помощью натяжных устройств.

По склону и вокруг жерла вулкана прокладывается трубопровод с форсунками для вспенивающейся или жаропоглощающей жидкости. На безопасном расстоянии в укрытиях вокруг кратера устанавливаются видеокамеры.

Данные с датчиков, видеокамер и аппаратуры автоматически поступают на сборный пункт и передаются спутниковой антенной в пункт управления и всем заинтересованным научным центрам во всем мире.

По мере пробуждения вулкана усиливается приток газа и пара. В зависимости от их давления и температуры воздушные шары с шатровой конструкции автоматически или по команде оператора могут подниматься или опускаться (подтягиваться натяжными устройствами).

Посредством видеокамер будет вестись наблюдение за подъемом шаров и дистанционно управляемые натяжные устройства будут центрировать шатер относительно жерла вулкана.

Металлическая сетка может быть наэлектризована от батарей или ветряка, установленных на аппаратурном отсеке, а также электроэнергия должна быть продублирована с земли по кабелю, проложенному по тросам. При этом, в целях устранения утечки заряда на землю, тросы закрепляются на шатровой конструкции через изоляторы.

При выбросе камней и пепла из жерла вулкана прочная шатровая конструкция будет предохранять местность от их разброса. Чем более бурный выброс камней и пепла, тем выше будут подниматься шары с конструкцией, при этом высота подъема алгоритмически связана с датчиками давления и температуры. В экстренном случае сработает предохранительный клапан.

Пенная или водяная «баня», создаваемая истечением жидкости под давлением из форсунок, расположенных вокруг жерла, способствует коагуляции мелких фракций пепла и их выпадению вблизи вулкана.

Наэлектризованная металлическая сетка способствует прилипанию к ней дисперсных частиц пепла, так досаждающих работе авиации: залепляются окна ограничивая обзор, выключаются двигатели.

По шлейфу газа и пепла можно на воздушных шарах поднимать металлические сетки любой конфигурации: плоские, изогнутые дугой и т.д.

Создание разрыхленной зоны в толще пород мероприятие высокозатратное с вероятностным положительным исходом. Создание же оградительной фильтрующей конструкции из металлической сетки проще, реальнее и менее затратное. Данный способ позволит значительно сократить убытки авиафирм от облаков пепла, пока составляющие 4 млрд дол., а вулкан еще дымит. В 1820 г. извержение вулкана продолжалось 2 года. Сколько неприятностей и затрат может принести извержение только одного вулкана. А их на Земле множество.

Источники информации

1. RU 2 351 964 C2, G01V 9/00, 2006.

2. RU 2 231 092 C2, G01V 9/00, 2003.

3. RU 2098850 C1, 1997.

4. RU 2343508 C1, 2009.

5. Конкин А.А. Углеродные и другие жаростойкие волокнистые материалы. М.: Высшая школа, 2004.