Устройство защиты окружающей среды от вулканических воздействий и способ его возведения
DEVICE FOR PROTECTING THE ENVIRONMENT FROM VOLCANIC INFLUENCES AND A METHOD FOR ITS CONSTRUCTION

Изобретение относится к области охраны окружающей среды и обеспечению экологической безопасности населения. Оно может быть использовано в качестве защитного устройства для населения, городских и народно-хозяйственных объектов, расположенных в зоне действующих вулканов, а также снижение динамических и температурных воздействий магмы на прилегающие городские, народно-хозяйственные и природные объекты. Изобретение может быть использовано при разработке полезных ископаемых вблизи действующих вулканов, при тушении пожаров лесных, промышленных, в городских и сельских поселениях, а также на других планетарных системах.
Известен Патент RU №2351964, опубликован 10.04.2009, МПК G01V 9/00, F42D 3/00, «Способ снижения динамических воздействий вулкана на окружающую среду при его извержении», Способ заключается в комплексе 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.
Известно устройство снижения динамических воздействий вулкана на окружающую среду при его извержении, описанное в Патенте RU №2351964, опубликован 10.04.2009, МПК G01V 9/00, F42D 3/00, «Способ снижения динамических воздействий вулкана на окружающую среду при его извержении», содержащее разрыхленную зону в склоне вулкана под пробкой кратера, пробуренные скважины с поверхности или из штольни, проводимой для этой цели к центру вулкана, причем буровые скважины используют для предварительного ослабления горного массива и канал отвода магмы.
Данный способ и устройство в какой-то мере снизит сотрясательное воздействие извержения на поверхность земли, что совместно с повышением сейсмостойкости зданий сохранит близлежащие города. Излияние магмы также приведено в управляемое русло. Однако извержение вулкана сопровождается еще и разбросом камней, газа и пепла на большие площади.
Известен Патент RU №2393312, опубликован 27.06.2010, МПК Е04Н 9/00 «Способ снижения динамических воздействий вулкана на окружающую среду при его извержении», взятый за прототип. Способ включает комплекс исследований в полном объеме, на основании которого создают разрыхленную зону в склоне вулкана под пробкой кратера и канал отвода магмы методом направленного взрыва. Дополнительно вокруг кратера создается шатер из высокопрочных и жаростойких полимеров с аэродинамикой, присущей воздухоплавательным шарам с горелкой или парашютным системам, на куполе которого крепятся датчики давления, термодатчики и газоанализаторы, который под действием вырывающегося газа и пара из жерла вулкана поднимается вверх и управляется дистанционно посредством тросов с натяжными устройствами.
Известно устройство, направленное на снижение динамических воздействий вулкана на окружающую среду при его извержении, описанное в Патенте RU №2393312, опубликованном 27.06.2010, МПК Е04Н 9/00 «Способ снижения динамических воздействий вулкана на окружающую среду при его извержении» и взятое за прототип.
Устройство содержит купол шатра с предохранительным клапаном, полимерный трос, натяжное устройство, видеокамеры, спутниковая антенна на куполе шатра расположены аппаратурный пояс, датчики давления, термодатчики, газоанализаторы.
К недостатка прототипа, как способа, так и устройства можно отнести ненадежность воздухоплавательного устройства и его дистанционно управления и управления посредством тросов.
Изобретения направлено на создание способа и устройства по снижению влияния процесса извержения вулканов на окружающую среду и экологическую безопасность населения.
Техническим результатом изобретения является снижение влияния извергаемых газов, камней и магмы, уменьшение динамических и температурных воздействий, а также повышение устойчивости сейсмичности зданий близлежащих поселений, осуществление сбора полезных веществ для развития новых отраслей народного хозяйства и внесет значительный вклад в экономику страны, а также может обеспечивать безопасность при возгорании лесных, промышленных и городских территорий.
На Фиг. 1 представлено устройство защиты от вулканических воздействий с вертикальным разрезом толщи пород.
Где:
1 - кратер;
2 - жерло вулкана;
3 - пробка;
4 - скопление магмы и газа;
5 - защитная многослойная оболочка-дамба из композитных наноматериалов;
6 - опорный пояс;
7 - населенный пункт;
8 - зона возможного плавления;
9 - разрез Махаровича;
10 - разрыхленная зона с выемками;
11 - купол, выполненный из многофункциональных многооболочечных многослойных гетерогенных оболочек из композитных наноматериалов;
12 - соединительная система;
13 - натяжное устройство;
14 - соединительный элемент (клапан);
15 - аппаратурный пояс;
16 - датчики мониторинга происходящего процесса(датчики давления, температуры и т.д.);
17 - газоанализатор;
18 - видеокамеры;
19 - спутниковая антенна;
20 - база газгольдеров;
21 - оболочечные многоступенчатые емкости-сборники, выполнены из теплостойких многослойных композитных наноматериалов, с возможностью поглощения газообразного и жидкообразного веществ вулканического происхождения, с сохранением их состава, а также имеют многослойную гетерогенную структуру с прослойками из скрученных или хаотично расположенных волокнистых материалов растительного или искусственного происхождения, расположенных в вертикальном и горизонтальном направлениях по всему их периметру;
22 - вантовая сфера с оболочечными многоступенчатыми емкостями-сборщиками из тугоплавких, упругих композитных наноматериалов;
23 - беспилотный летательный аппарат;
24 - предохранительный клапан;
25 - открылки, из упругих тугоплавких композитных наноматериалов;
26 - оградительные завесы, выполненные как сетки-уловители из тугоплавких, упругих композитных наноматериалов;
27 - крепление завес в виде устройств - присосок;
28 - магнитные ловушки на оболочечные многоступенчатые емкости-сборники 21;
29 - основание купола 11;
30 - датчики мониторинга, выполненные с возможностью наблюдения над происходящим процессом защиты окружающей среды от вулканических воздействий;
31 - датчики заполнения и освобождения оболочечных многоступенчатых емкостей-сборников от газов и жидких сред.
Вертикальный разрез толщи пород включает: кратер 1, жерло 2, пробка 3, скопление магмы и газа 4, защитную многослойную оболочку дамбу 5, из композитных наноматериалов, опорный пояс 6, населенный пункт 7, зона возможного плавления 8, раздел Махоровича 9, разрыхленная зона 10.
Устройство защиты окружающей среды от вулканических воздействий, включающий летательную систему, площадь которого превышает зону извергающегося вулкана. Летательная система включает купол 11 с предохранительным клапаном, обеспечивающим безопасность системы 24 и аппаратурным поясом 15, с датчиками давления и температуры 16 и газоанализаторами 17, купол 11 через соединительную систему 12 соединен с натяжным устройством 13, закрепленным в зоне превышающей зону извержения вулкана, которая снабжена системой наблюдения включающая видеокамеры 18 и спутниковые антенны 19. Система наблюдения дополнительно включает датчики мониторинга информационной системы 30, выполненные с возможностью наблюдения над происходящим процессом, т.е. определяет температуру, высоту подъема магмы, которые свидетельствуют о начале вулканического процесса, предоставляют научные данные о времени возникновения пробуждения вулкана, беспилотный летательный аппарат 23, обладающий возможностью дистанционного управления процессом возведения и эксплуатации устройства. Купол 11 выполнен из ряда многофункциональных многооболочечных многослойных гетерогенных оболочек из композитных наноматериалов, с расположенными на нем соединительными клапанами 14, выполненными с возможностью крепления с помощью магнитных ловушек 28 оболочечных многоступенчатых емкостей-сборников 21, снабженных датчиками заполнения и освобождения их от вулканических газов и жидких сред 31, после заполнения их и отлета к местам хранения, прикрепленных к куполу 11 летательного аппарата, соединенные клапанами 14, выполняют по типу соединительных устройств для заполнения топливом самолетов в воздухе. Основание 29 купола 11 снабжено вантовой сферой с емкостями-сборщиками 22, из тугоплавких, упругих композитных наноматериалов, для улавливания твердых камнеобразных веществ - выбросов и пепла. К внешней части основания купола 11 крепят открылки 25 из упругих тугоплавких композитных наноматериалов, с возможностью расположения на них оболочечных многоступенчатых емкостей-сборников 21, с креплением их между собой с помощью магнитных ловушек 28, а также с креплением к соединительным клапанам 14, расположенным на куполе 11 летательной системы. Соединительная система 12 в виде оградительных завес 26 выполнена как защитное полотнище (сетки-уловители) из тугоплавких, упругих композитных наноматериалов, закрепленных на основании купола 11 с помощью устройств-присосок 27, расположенных между сетками-уловителями соединительной системы 12. Защитные полотнища (сетки-уловители) из тугоплавких, упругих композитных наноматериалов, препятствуют проникновению газообразных и других выбросов в зоне извержения вулкана в окружающую среду, защищая объекты и население от их вредных воздействий. Оболочечные многоступенчатые емкости-сборники 21 выполнены из теплостойких гетерогенных многослойных композитных наноматериалов, с возможностью поглощения газообразного и жидкообразного веществ вулканического происхождения или пожара, с сохранением их состава, а также имеют многослойную гетерогенную структуру с прослойками из скрученных или хаотично расположенных волокнистых материалов растительного или искусственного происхождения, расположенных в вертикальном и горизонтальном направлениях. На расстоянии, обеспечивающем безопасность населенных пунктов, расположены базы газгольдеров и сбора твердых веществ 20.
На основании научных данных о возможности пробуждения вулкана, подготавливают документацию проекта по охране окружающей среды. Определяют глубину залегания, зону опорного пояса, глубину залегания зоны скопления магмы и ее плавления. Заранее подготавливают карту движения магмы и в целях облегчения ее выхода на поверхность магмы создают разрыхленную зону. В разрыхленной зоне устраивают проходы -каналы с глубокими выемками, создаваемые, в том числе, с помощью взрывных работ, а также выполняют на поверхности земли защитную многослойную оболочку дамбу 5 из тугоплавких композитных наноматериалов, преграждающую дальнейшее распространению магмы.
На территории технической базы доставляют и осуществляют сборку сложенной летательной системы, размеры которой приближены к параметрам зоны извержения вулкана.
Способ возведения устройства защиты окружающей среды от вулканических воздействий, заключается в создании разрыхляющей зоны 10 вулкана под пробкой кратера 1, защитной тугоплавкой многослойной оболочки дамбы 5, из композитных наноматериалов, создание вокруг кратера 1 летательной системы, на куполе 11 которой располагают предохранительный клапан 24 и аппаратурный пояс 15, с датчиками давления и температуры 16, газоанализаторы 17, купол 11 через соединительную систему 12 соединяют с натяжным устройством 13, закрепленным в зоне превышающей зону извержения вулкана, которую снабжают системой наблюдения, включающая видеокамеры 18 и спутниковые антенны 19 и дополнительно снабжают датчиками мониторинга 30 и информационной системой, выполненными с возможностью наблюдения над происходящим процессом беспилотным летательным аппаратом 23, обладающим возможностью дистанционного управления процессом возведения и эксплуатации устройства. Купол 11 летательной системы выполняют из ряда многооболочечных многослойных гетерогенных оболочек из композитных наноматериалов. На куполе 11 располагают соединительные клапаны 14, выполненные с возможностью крепления через магнитные ловушки 28 оболочечных многоступенчатых емкостей-сборников 21, которые снабжают датчиками заполнения и освобождения их от вулканических газов и жидких сред 31. Основание купола 11 снабжают вантовой системой в виде сфер с оболочечными многоступенчатыми емкостями-сборщиками 22, выполненными из тугоплавких, упругих композитных наноматериалов, для улавливания твердых камнеобразных веществ - выбросов и пепла. К внешней части основания купола 11 крепят открылки 25, которые выполняют из упругих тугоплавких композитных наноматериалов, на которых располагают оболочечные многоступенчатые емкости-сборники 21, с креплением их между собой с помощью магнитных ловушек 28, а также с креплением с помощью магнитных ловушек 28 к соединительным клапанам 14, расположенным на куполе 11 летательной системы, где собираются извергающие газы, которые через соединительный клапан 14 подаются в оболочечные многоступенчатые емкости-сборники 21, после их заполнения они отделяются от соединительного клапана 14 с помощью сигналов от датчиков заполнения и информационной системы и освобождения и направляются к базам газгольдерам, где происходит их освобождение от заполнителей и вновь возвращаются к летательной системе. Соединительную систему 12 выполняют как оградительную завесу 26, в виде сеток-уловителей из тугоплавких упругих композитных наноматериалов. Соединительную систему 12 закрепляют на основании купола 11 с помощью устройств-присосок 27, которые располагают между полотнищами (сетками-уловителями). Оболочечные многоступенчатые емкости-сборники 21 выполняют из теплостойких композитных наноматериалов, с возможностью поглощения газообразного и жидкообразного веществ вулканического происхождения, а также имеют многослойную гетерогенную структуру с прослойками из скрученных или хаотично расположенных волокнистых материалов растительного или искусственного происхождения, которые противостоят динамическим воздействиям, расположенных в вертикальном и горизонтальном направлениях. На расстоянии, обеспечивающем безопасность населенных пунктов 7, располагают базы газгольдеров и сбора твердых веществ 20.
Характеристика, гетерогенных композитных наноматериалов используемых при осуществлении способа и устройства.
Гетерогены - системы содержащие более одной фазы.
Гетерогенные композитные наноматериалы это системы, состоящие из различных по составу или происхождения разнородных частей наноматериалы разделены на 3 класса.
Матричная система, которая состоит из непрерывной фазы (матрицы) и дисперсной фазы (дискретные частицы);
Композиции с волокнистыми наполнителями;
Композиции, имеющие взаимопротекающую структуру двух и более непрерывных фаз.
Гетерогенные композитные наноматериалы для оболочечных элементов конструкций могут быть с различными заданными свойствам: упругости, долговечности, сохранения данных заданных форм (первоначальных, проектных).
Композитные наноматериалы обладают общими свойствами: экологичностью, безопасностью, надежность, упругостью, гибкостью, долговечностью, сохранением первоначальной формы, однако каждый из них может нести и дополнительные свойства, например, обеспечивать наименьшее трение между элементами (трибологические качества), большую жесткость и упругость (добавки порошка лития и др.), создавать защитные свойства для очистки (сорбция) т.п. Эти свойства они приобретают на стадии изготовления (технологии) их производства и могут объединяться в единый объект с сохранением общей функции (общие свойства), которые могут взаимодействовать в различных средах (вода, воздух, твердые и жидкие загрязнения и т.п.). Примеры композитных материалов и их характеристики, обеспечивающие функционирование предлагаемого технического решения, приведены в таблице
Изменение свойств данных материалов в точках приложения равнодействующих сил и максимальных напряжений возможно за счет полимерных наноматериалов, с памятью формы, т.е. обладающих способностью после снятия нагрузки возвращаться в исходное состояние без остаточных деформаций. В качестве наномембран с сорбционными свойствами могут использоваться комбинации бентонитовых матов, изготовленных из геотекстиля с пенополистеролом, обладающим сорбционными свойствами и другие современные композитные материалы.
Предлагаемые к применению композитные наноматериалы приведены в:
- ПНСТ 2013-2017 «Наноматериалы. Смеси наномодифицированные защитные. Технические требования и методы испытаний»;
- Гост Р 50583-93 «Материалы композиционные полимерные»;
- Гост 33742-2016 «Межгосударственный стандарт. Композиты полимерные».