СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ ВУЛКАНА НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ ПРИ ЕГО ИЗВЕРЖЕНИИ
METHOD TO REDUCE DYNAMIC EFFECTS OF VOLCANO AT ENVIRONMENT DURING ITS ERUPTION

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 убытку 4 млрд долл. 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.
Известен способ [5], целью которого 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, а также локализация или устранение такого явления, как пироклассические потоки.
Сущность изобретения: создают зону разрыхления и канал отвода магмы методом направленного взрыва. Вокруг кратера вулкана сооружают аэродинамическую трубу из полимерной пленки с обручами в качестве ребер жесткости. Внутри трубы располагают фильтрационную установку, состоящую из наэлектризованных решеток и сеток из углепласта. Аэродинамическую трубу полимерными канатами, проложенными вдоль ее стенок, поднимают на должную высоту с помощью воздушных шаров или аэростатов.
При длине трубы в несколько сот метров или нескольких километров внутри трубы за счет перепада давления на ее концах будет создаваться сильный поток воздуха (см. таблицу), 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. Этот способ принят за прототип. Недостаток этого способа заключается в следующем. Невозможно точно определить момент извержения вулкана и силу извержения, да и вообще может не произойти извержения. Аэродинамическая труба может быть не использована годами. Поэтому, для эффективного использования аэродинамической трубы во время отсутствия извержения, предлагается в трубе установить электрогенерирующее устройство - ветряк, а для создания перепада давления между внешней средой и внутренним потоком воздуха предлагается над фильтрационной установкой расположить барабан с лопастями, вращающийся под действием горизонтальных потоков воздуха. По закону Бернулли внутри барабана будут создаваться завихрения и дополнительное разрежение воздуха.
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 градусов Углепластики очень легки и, в то же время, прочные материалы [6]. Например, полимер этого класса, названный «Хайпол» обладает следующими параметрами: рабочая температура до 2000 градусов, 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.V/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. В качестве ветрового колеса могут быть приемлемы любые ветряки, соответствующие технико-экономическим расчетам и экологии окружающей среды. В настоящее время известно много различных типов ветроэнергетических установок (ВЭУ). Широкое распространение имеют ветроустановки с крыльчатыми ветроколесами и горизонтальной осью вращения [7].
Среди них наибольшее развитие получили двух- и трехлопастные ветроколеса. Подразделение Google Energy заключило соглашение на использование электроэнергии, производимой трехлопастными ветроколесами ветряной фермой в Айове (США) [8]. Мощность таких ветроколес или турбин, например, Enercon El26 достигает 6-7 МВт [9].
Другой разновидностью ветроколеса является ротор Савониуса [11]. Вращающий момент возникает при обтекании ротора потоком воздуха за счет разного сопротивления выпуклой и вогнутой частей ротора, колесо отличается простотой, но имеет очень низкий коэффициент использования энергии ветра 0,30-0,35.
Последние годы начали заниматься разработкой ветродвигателя с ротором Дарье. Этот ротор имеет вертикальную ось вращения и состоит из двух-четырех изогнутых лопастей. В роторе Дарье коэффициент использования энергии ветра достигает значений 0,30-0,35.
Преимущества использования ветряного колеса в аэродинамической трубе по сравнению с другими ветряками очевидны:
- низкие затраты на приобретение, сборку и эксплуатацию ветроэнергетической установки;
- низкие затраты на аренду участка земли;
- ветроэнергетическую установку не надо поворачивать, а значит, не надо поворотного механизма флюгера и видроз;
- отсутствуют дорогостоящие электрические батареи, выработанная энергия будет поступать в общегосударственную энергосистему;
- не будет настроечных на ветер операций;
- не будет простоев из-за отсутствия ветра;
- появляется возможность применять каскад ветровых колес в аэродинамической трубе.
Таким образом, предлагается способ и устройство двойного назначения, как электрогенерирующий агрегат и способ снижения динамических воздействий вулкана на окружающую среду при его извержении, включающий создание зоны разрыхления, фильтрационной установки и канала отвода магмы методом направленного взрыва, при этом 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, отличающаяся тем, что, для создания дополнительного разрежения воздуха в аэродинамической трубе, в ее нижней части установлен барабан с лопастями, вращающийся под действием горизонтальных потоков воздуха, а в устье аэродинамической трубы на тросах подвешивается ветровое колесо с электрогенератором.
Полученная электроэнергия позволит окупить затраты на сооружение аэродинамической трубы с фильтрационной камерой.
На фиг.1 представлен вертикальный разрез толщи породы, а также вид на аэродинамическую трубу сбоку в разрезе. На фиг.2 представлен вид с уровня ветрового колеса (в разрезе), 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 - воздушный шар, 11 - ветряк для обеспечения энергией приборов и запуска ветрового колеса 24 с электрогенератором 13, 12 - гондола с приборами и камерой наблюдения 28. Аэродинамическая труба состоит из полимерной оболочки 25 с ребрами жесткости в виде полимерных обручей 14 и натяжных тросов 19, пропущенных по ее стенкам. В нижней части аэродинамической трубы установлена фильтрационная камера с решеткой 18 и системой наэлектризованных сеток 27. Снизу камеры прикреплен полимерный фартук 28, а над камерой установлен на шарикоподшипниках 15 и 17 барабан 16 с лопастями 26, вращающийся под действием горизонтальных потоков воздуха и создающий дополнительное разрежение внутри аэродинамической трубы.
Натяжные тросы 19 одним концам закрепляются на автоматизированных натяжных устройствах 21, проходят по стенкам аэродинамической трубы и закрепляются другим концом на гондоле воздушного шара 12.
На земле вокруг аэродинамической трубы расположены видеокамеры 20 и центр сбора и первичной автоматической обработки информации 22. В дальнейшем информация передается через космический ретранслятор 23 в центральный орган управления.
Электроэнергия от ветряка 24 по кабелям передается на районную подстанцию и далее ЛЭП в единую государственную электросеть.
Работы начинают с подбора вулкана традиционно с пылегазовым извержением, сопровождаемым пироклассическим потоком.
На земле монтируют фильтрационную камеру, прикрепляют к ней тросы от устройств натяжения 21. На ней устанавливают барабан 17. Секции аэродинамической трубы, изготовленные на заводе, стыкуют замками и по их стенкам пропускают натяжные тросы. В расчетном месте монтируется ветровое колесо с электрогенератором и тоже прикрепляется к тросам. Устье аэродинамической трубы тросами прикрепляется к гондоле воздушного шара, которая заполняется научно-исследовательской и управляющей аппаратурой. Надувается шар и удерживаемый натяжными устройствами медленно поднимается вверх. При достижении заданной высоты вся аппаратура приводится в рабочее состояние. Запускается ветровое колесо 24 от ветряка 11. На данном этапе сооружение используется как энергетическая установка.
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.
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 с шатровой конструкцией 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 гондоле.
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 авиафирм от облаков пепла, сохранить жизни людям, оградив их от пироклассических потоков пыли с сероводородом.
Много неприятностей и затрат может принести извержение только одного вулкана. А их на Земле множество, есть и в России.
Источники информации
1. RU 2 351 964 C2, G01V 9/00, 2006.
2. RU 2 231 092 C2, G01V 9/00, 2003.
3. RU2 098 850 C1, 1997.
4. RU2 408 906 C1, 2011.
5.RU2 462 551 C1, 2012.
6. Конкин А.А. Углеродные и другие жаростойкие волокнистые материалы. М., Высшая школа, 2004.
7. http://www.bellona.ru/Energy.
8. http://www. mexico.spaceweb.ru.
9. http://www.newchemistry.ru.
10. RU 2 392 489 CI.
11. http://hlghpol.com.
12. RU2 343 508 C1, 2009.