способ снижения динамических воздействий вулкана на окружающую среду при его извержении

Формула изобретения

Способ снижения динамических воздействий вулкана на окружающую среду при его извержении, включающий создание зоны разрыхления, фильтрационной установки и канала отвода магмы методом направленного взрыва, отличающийся тем, что вокруг кратера создается аэродинамическая труба из полимерной пленки с обручами в качестве ребер жесткости, которая полимерными канатами, проложенными вдоль ее стенок, поднимается на должную высоту с помощью воздушных шаров или аэростатов, причем внутри аэродинамической трубы расположена фильтрационная установка, состоящая из наэлектризованных решеток и сеток из углепласта.

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 прошлом году произошел взрыв вулкана в Исландии. Облако пепла на неделю прервало все полеты самолетов, что принесло убытки 4 млрд долларов 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.

Обычно извержение вулкана сопровождается землетрясением, разбросом камней и глыб, истечением магмы и выбросом пыли и газа на высоту 2-3 км с образованием пылевого облака. Именно дисперсные частицы этого пылевого облака долго держатся в атмосфере, забивают и останавливают двигатели самолетов.

Но иногда извержение сопровождается более страшным явлением.

По земле стелется горячий, более 100 градусов, ураган пепла, пыли с примесью сероводорода, так называемый пироклассический поток. Распространяется он на большие расстояния несколькими волнами. Именно от удушья этого потока погибают массы людей, в частности так погибло население Помпеи и его окрестностей, - нечем дышать.

Таким образом, создание способа снижения динамических воздействий вулкана на окружающую среду, в частности для очистки воздушной среды от облаков пепла и пироклассических потоков, 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, а также пироклассическими потоками. Но вопрос снижения влияния этих факторов ни в этом способе, ни в других не рассматривается [2, 3].

Известен способ снижения динамических воздействий вулкана на окружающую среду при его извержении [4], включающий создание разрыхленной зоны в склоне вулкана под пробкой кратера и канала отвода магмы методом направленного взрыва, отличающийся тем что над жерлом вулкана монтируется фильтрационная установка, состоящая из мощной решетки с амортизаторами, установленная на железобетонных стояках с возможностью вертикальной податливости при сильном ударе. Вторым отличием является то, что на решетке уложены полимерные камеры, наполненные водой или жаропоглощающей жидкостью. И третьим отличием является то, что на стояках сверху смонтирован железобетонный свод с люком в центре, от которого проложен трубопровод с насосом для откачки смеси газа и пепла из-под купола в бассейн с водой.

При слабом извержении предложенная конструкция выполнит свое предназначение, а при мощном извержении, сопровождаемом землетрясением, мало вероятности, что это сравнительно жесткое сооружение, построенное вблизи вулкана, не разрушится.

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 воздушным сообщениям, а также локализация или устранение такого явления, как пироклассические потоки. Данная цель достигается путем создания вокруг кратера вулкана аэродинамической трубы из полимерной пленки с элементами фильтрации внутри нее, которая поднимается на должную высоту с помощью воздушных шаров или стратостатов. При длине трубы в несколько сот метров внутри трубы за счет перепада давления будет создаваться сильный поток воздуха, который должен захватывать стелющиеся по земле пироклассические потоки и выдувать их высоко в атмосферу, при этом, проходя через систему электрофильтров, они будут очищаться от вредных составляющих.

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 легкие 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/). За эту разработку российские ученые получили Нобелевскую премию в 2010 году.

Углеродные тонкие пленки, полученные из этих полимеров, могут быть использованы в качестве стенок аэродинамической трубы.

Из тех же материалов могут быть изготовлены и ребра жесткости трубы в форме обручей, а также решетки и сетки фильтрационной установки.

Т.к. все углепластики хорошо проводят ток, то наэлектризованные фильтрационные элементы могут хорошо коагулировать и абсорбировать взвешенные микрочастицы пыли. При этом мощные решетки будут препятствовать разбросу камней на большие расстояния, а множество сеток будут фильтровать мелкие и дисперсионные частицы пироклассических потоков.

Материалом для воздушных шаров обычно служат эластомеры, т.е. природные или синтетические каучуки. Каучук обладает способностью обратимо растягиваться до 900%. Из этих же материалов могут быть изготовлены и тросы, проложенные по стенкам аэродинамической трубы, с помощью которых конструкция крепится к воздушным шарам. На разных уровнях аэродинамической трубы закрепляются научная аппаратура, датчики, видеокамеры, передатчики видео- и телеметрической информации, источник электризации сетки и питания научной аппаратуры (ветряк). Подачу электроэнергии необходимо дублировать с земли по проводам, прикрепленным к натяжным тросам.

Грузоподъемность шаров практически не ограничена.

На фиг.1 представлен вертикальный разрез толщи пород, а также вид на аэродинамическую трубу сбоку, на фиг.2 представлен вид на конструкцию сверху (разрез по фильтрационной установке).

где 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 - зона разрыхленных пород, 10 - фильтрационная установка, 11 - полимерная труба с ребрами жесткости в форме обручей 15.

Фильтрационная установка состоит из предохранительной решетки 12, системы фильтрационных сеток 13. Снизу к ней прикреплен полимерный фартук 14 с ребрами жесткости 15 в форме обручей. Вдоль стенок всей конструкции проложены канаты 16, закрепленные одним концом на земле автоматическими натяжными устройствами 17, а другим концом на воздушных шарах 18. Снизу к шарам подвешивается аппаратурный отсек 19 с воздушной камерой наблюдения 23 и источником питания (ветряк) 24, который записывает и перерабатывает информацию, поступающую от научно-инструментального пояса с датчиками 20.

На земле на должном расстоянии установлена наземная станция наблюдения со спутниковым ретранслятором 21. Фильтрационная установка имеет предохранительный клапан 25 (на случай полной заштыбовки сеток).

С момента пробуждения вулкана начинают подготовку к осуществлению проекта по охране окружающей среды, заранее разработанному, 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 в нужном направлении, строится отводной канал, а также проводятся мероприятия по другим пунктам проекта.

Параллельно на ровной поляне вблизи вулкана собирается конструкция фильтрационной установки и «сваривается» аэродинамическая труба из рулонов полимерной пленки. По стенкам трубы прокладываются канаты, которые одним концом закрепляются на машинах или тракторах, а другим - на воздушных шарах. При заполнении шаров газом конструкция приподнимается от земли и перевозится к жерлу вулкана. Там канаты закрепляются с помощью автоматических 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 наземный пункт наблюдения 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 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 аэродинамическую трубу относительно жерла вулкана.

Фильтрационные сетки могут быть наэлектризованы от батарей или ветряка, установленных на аппаратурном отсеке, а также от элетроэнергии с земли, подаваемой по кабелю, проложенному по натяжным канатам.

При выбросе камней и пепла из жерла вулкана прочная полимерная 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.

Мощный поток воздуха, создаваемый в аэродинамической трубе от разницы давления у земли и в ее конце на большой высоте, будет увлекать в нее пироклассические пылевые потоки.

Создание разрыхленной зоны в толще пород - мероприятие высокозатратное с вероятностным положительным исходом. Создание же предложенной конструкции из полимерной аэродинамической трубы с элементами фильтрации проще, реальнее и менее затратное. Данный способ позволит значительно сократить убытки авиакомпаний от облаков пепла, сохранить жизни людям, оградив их от пироклассических потоков пыли с сероводором.

Много неприятностей и затрат может принести извержение только одного вулкана. А их на Земле множество, есть и в России.

Источники информации

1. RU 2351964 C2, G01V 9/00, 2006.

2. RU 2231092 C2, G01V 9/00, 2003.

3. RU 2098850 C1, 1997.

4. RU 2408906 C1, 2011.

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

6. RU 2343508 C1, 2009.