Способ снижения динамических воздействий вулкана на окружающую среду при его извержении



Способ снижения динамических воздействий вулкана на окружающую среду при его извержении
Способ снижения динамических воздействий вулкана на окружающую среду при его извержении
Способ снижения динамических воздействий вулкана на окружающую среду при его извержении

 

E04H9/00 - Здания, группы зданий или убежища, предназначенные главным образом для защиты от опасности, грозящей извне, например военного нападения, землетрясения, для специфического климата (плавучие сооружения B63B; с точки зрения оснований или фундаментов E02D; строительные конструкции вообще E04B; шарнирные или аналогичные им опоры, допускающие смещение, E04B 1/36; специальные элементы для обеспечения изоляции или другой защиты E04B 1/62; опорные конструкции для разрушающихся или разрушенных зданий или их частей E04G 23/04; двери, окна E06B 5/00; кондиционирование воздуха, вентиляция F24F; маскировка F41H 3/00; помещения, защищенные от радиации, G21F 7/00)

Владельцы патента RU 2509852:

Перфилов Александр Александрович (RU)

Изобретение относится к области охраны окружающей среды и может быть использовано с целью снижения динамических воздействий вулкана на окружающую среду при его извержении, а также как устройство для выработки электроэнергии. Технический результат: снижение влияния выброса камней и пепла в процессе извержения вулкана на окружающую среду, локализация или устранение пироклассических потоков, а также выработка электроэнергии в период ожидания извержения вулкана. Способ снижения динамических воздействий вулкана на окружающую среду при его извержении включает 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. При этом 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. 2 ил.

 

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.

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.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к защитным устройствам, применяющимся во взрывоопасных и радиоактивных объектах, таких как легкосбрасываемые панели и кровли, противовзрывные ограждения и заслонки, клапаны избыточного давления.

Изобретение относится к строительной индустрии и может быть использовано для строительства различных сооружений промышленного и гражданского строительства в зонах, опасных по землетрясениям.

Изобретение относится к строительству и может быть использовано для защиты сооружений от взрывных и ударных вертикальных воздействий. .

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, в частности к вопросам экологической безопасности, может быть использовано в строительстве и при разработке полезных ископаемых вблизи действующих вулканов.

Изобретение относится к производству стальных металлоконструкций, в частности к металлоконструкции, изготовленной из стального проката, метизов, дерева и стекла, для сооружения металлической наблюдательно-сторожевой вышки, решетчатой конструкции, башенного типа.

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано для взрывозащиты производственных зданий, в частности, категорий А и Б. .

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано в качестве предохранительных конструкций для взрывозащиты производственных зданий, в частности категорий А и Б.

Здание // 2335609
Изобретение относится к строительству жилых зданий в районах схода снежных лавин. .

Изобретение относится к технике для защиты объектов техники от воздействия ударных волн в воздушной среде, в частности к устройствам для локализации взрывов. .

Изобретение относится к области охраны окружающей среды и может быть использовано с целью снижения динамических воздействий вулкана на окружающую среду в случае его извержения.

Изобретение относится к устройствам, инициирующим принудительный сход лавин. .

Изобретение относится к области оценки устойчивости снежного покрова на лавиноопасных склонах горнолыжных комплексов с целью обеспечения безопасности проведения рекреационных мероприятий.

Изобретение относится к области мероприятий, направленных на обеспечение безопасности работ при обрушении снежных карнизов на лавиноопасных склонах горнолыжных комплексов путем визуального их осмотра и определения длины консольной их части.

Изобретение относится к области охраны окружающей среды и может быть использовано с целью снижения динамических воздействий вулкана на окружающую среду в случае его извержения.

Изобретение относится к области охраны окружающей среды и может быть использовано с целью снижения динамических воздействий вулкана на окружающую среду при его извержении.

Изобретение относится к области проведения профилактических мероприятий, касающихся снежных лавин, в частности к искусственному вызову сброса лавин в заданное время.

Изобретение относится к гидротехническому и природоохранному строительству, а именно к строительству противолавинных сооружений, используемых для защиты рекреационных и туристических комплексов, дорог и других объектов горной инфраструктуры.

Изобретение относится к области дорожного строительства, в частности к устройствам для защиты автомобильного и железнодорожного транспорта от снежных лавин. .

Изобретение относится к гидротехническому строительству, а именно к лавинозащитным сооружениям, используемым на лавиноопасных участках дорог, населенных пунктов и других объектов горной инфраструктуры.

Лавинорез, состоящий из сходящих стенок, образующих острый угол на вершине, выполнен гибкой и комбинированной конструкции. Выполнен из грунтовой насыпи треугольной формы с боковыми откосами, которые укреплены габионными тюфяками по всей их длине от гребня до основания лавинореза, сверху габионных тюфяков от вершины угла лавинореза в обе стороны предусмотрена железобетонная решетчатая рама, изготовленная из фундаментных и верховых плит, соединенных между собой ростверками, устроенными по линии откосов на определенном расстоянии друг от друга. А по линии вершины угла лавинореза от гребня до фундаментной плиты уложен на ребро швеллер или другой металлический профиль, замоноличенный с двух сторон бетоном до 3/4 его высоты. Сверху железобетонных плит гребня предусмотрены металлические решетчатые конструкции, состоящие из вертикальных решеток и контрфорсных стержней, жестко прикрепленых к анкерам. Лавинорез имеет форму треугольника с углом на вершине 80-90°, при этом железобетонная решетчатая рама, уложенная на откосах сверху габионных тюфяков имеет длину в пределах 2/3 длины боковых откосных стенок сооружения. Предлагаемая конструкция лавинореза обеспечивает гашение избыточной энергии потока лавин и рассредоточение ударной силы на большую площадь, тем самым повышается надежность работы сооружений. Лавинорезы комбинированной конструкции могут быть эффективно использованы на участках территорий горных инфраструктур, находящихся в наиболее опасных зонах ударного воздействия мощных лавин. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.
Наверх