IRSST - Institut de recherche Robert-Sauvé en santé et en sécurité du travail

Modernisation des parachutes de transporteurs de mines : volet 2 – Cas de la rupture du câble

Résumé

Cette étude a été initiée par une lettre datée du 25 octobre 2013 et signée par un membre de la partie syndicale du sous-comité sur les machines d’extraction de la Commission de la santé et de la sécurité du travail (CSST)1. Cette lettre demandait au sous-comité de mandater l’Institut de recherche Robert-Sauvé en santé et en sécurité du travail (IRSST) pour évaluer les systèmes d'arrêt d'urgence des transporteurs de mine en usage à travers le monde (parachutes et autres systèmes), dans le but de moderniser les parachutes exigés sur les transporteurs de mine au Québec. Un premier volet, déposé le 5 juin 20142, a présenté une revue de la littérature générale sur les parachutes et les câbles d’extraction. Ce deuxième volet porte sur les solutions envisageables afin d’éviter la rupture du câble et l’écrasement de la cage en cas de rupture du câble.

Le cas de l’écrasement de la cage d’une machine d’extraction est un cas limite lorsque l’on considère la probabilité d’occurrence de l’évènement et la gravité du dommage. En effet, la revue des accidents présentée dans le volet 1 a montré que les cas d’écrasement de la cage subséquents à une rupture de câble étaient rares, mais lorsque ce type d’évènement se produit, le nombre de blessés ou de décès peut être élevé. La question de la nécessité d’un système de sécurité comme les parachutes peut donc se poser : vaut-il mieux porter l’attention et les efforts sur le câble (comme en Afrique du Sud) ou un système parachute est-il intéressant compte tenu de son faible coût et de la sécurité supplémentaire qu’il apporte?

Le deuxième chapitre présente les solutions envisageables pour éviter la rupture du câble d’extraction et la législation qui s’y rattache. Les travaux de recherche effectués en Afrique du Sud ont montré qu’il est difficile d’anticiper les dégradations d’un câble et que des règles générales ne peuvent être édictées. Cependant, l’ensemble législatif et normatif en Afrique du Sud permet de limiter la propagation des causes élémentaires avant qu’elles ne créent un accident. De nombreux paramètres interviennent dans l’usure d’un câble et une bonne connaissance de ces mécanismes est nécessaire pour anticiper un affaiblissement éventuel. La résistance à la rupture d’un câble peut varier fortement sur sa longueur, et la résistance la plus faible est rarement à l’attache. Les critères de remplacement des câbles varient un peu d’une province à l’autre au Canada, mais aucune des provinces ne suggère de considérer les effets cumulatifs, contrairement à la norme SABS0293 et à la norme ISO 4309. La considération des effets cumulatifs nous semble être une pratique à mettre en œuvre pour accroître la sécurité, quel que soit le facteur de sécurité utilisé.

Pour évaluer la résistance des câbles, on peut se baser sur un examen visuel, un examen électromagnétique ou encore un système de suivi continu de l’état du câble. Les examens visuels devraient être faits dans de bonnes conditions d’éclairage et de visibilité. Deux paramètres sont mesurés lors des essais électromagnétiques : la perte de section métallique ‒ Loss of Metallic Area (LMA) et les défauts localisés ‒ Localized Faults (LF). Les essais électromagnétiques fournissent des informations précieuses sur « l’état de santé » du câble d’extraction, particulièrement pour l’intérieur du câble qui n’est pas visible. Néanmoins, l’appareillage permettant ce type de test n’est pas parfait et il comporte certaines limitations : la sensibilité décroît avec la profondeur du défaut, certains fils cassés internes ne sont pas toujours détectables et l’expérience du technicien est déterminante. Un programme de formation et de certification des inspecteurs de câbles paraît une option tout à fait appréciable. Les systèmes de suivi continu du câble, qui sont obligatoires pour abaisser le facteur de sécurité (FS), permettent de suivre en temps réel l’état du câble et procurent un avantage considérable lors des inspections électromagnétiques ponctuelles, car ils permettent de concentrer les efforts sur les zones identifiées comme affaiblies.

Trois voies sont à privilégier pour maximiser la durée de vie des câbles d’extraction : l’entretien régulier des câbles, la limitation des charges dynamiques et l’utilisation de câbles de nouvelle génération (câbles mixtes, câbles synthétiques). Des systèmes de lubrification automatique sont disponibles et permettent, en les connectant à un Programmable Logic Controller (PLC) de pulvériser du lubrifiant sur toute la longueur du câble après un certain nombre de cycles. Un contrôle strict du freinage permet de limiter les charges dynamiques dans le câble et donc de prolonger sa durée de vie; en effet, la majorité des évènements élémentaires menant à une rupture du câble par dépassement de la charge est liée à des charges dynamiques. Enfin, les câbles mixtes sont de plus en plus courants dans les puits de mine et permettent d’augmenter les charges admissibles sans compromettre la sécurité des travailleurs. À plus long terme, il sera probablement possible d’utiliser des câbles 100 % synthétiques, ce qui demandera une adaptation de la législation.

Les parachutes traditionnels en service aujourd’hui au Québec sont presque tous de type « Ontario », c’est-à-dire qu’il s’agit de parachutes à une seule dent par côté de guide, munis d’un fendeur (splitter) afin d’écarter le bois arraché au guide, ainsi que d’un patin permettant d’éviter le retournement de la dent et de compenser partiellement l’usure des guides.

La décélération engendrée par ce type de système de sécurité pour les transporteurs est relativement grande : de l’ordre de 3 g (29,43 m/s2), ce qui a motivé la demande de la présente expertise. Si ces décélérations peuvent générer des blessures aux travailleurs présents dans la cage, plusieurs cas ont été observés où il n’y a pas eu de blessures avec des décélérations de cet ordre. Le problème se pose surtout pour les cages presque vides, pour lesquelles la décélération sera plus grande.

En utilisant le principe de conservation d’énergie, on peut calculer la force de freinage F (résistance moyenne du bois). Cette force de freinage par dent peut être estimée à l’aide d’équations empiriques qui ont été données par les fabricants de parachutes. Il apparaît que cette force F est influencé par les dimensions de la dent (largeur et profondeur de coupe) ainsi que par l’angle qu’elle fait par rapport à l’horizontale. Plus cet angle est faible, plus la force de freinage sera grande. Ces équations ne sont pas parfaites, mais permettent une estimation relativement bonne, et plutôt conservatrice, de la force de freinage par dent.

Le parachute de type « Ontario » prévoit un système de compensation de l’usure des guides. L’efficacité de ce système a été évaluée. Il apparaît que plus l’angle de la dent est faible, moins le système de compensation est en mesure de limiter la perte de force de freinage. Pour un guide gonflé par l’humidité, la force de freinage diminuera pour un angle de dent faible et augmentera pour un angle de dent supérieur à 10°. Si le guide fait exactement la largeur nominale, la contribution au freinage du patin peut être estimée à 8 % environ.

De nombreux résultats d’essais de chute libre ont été récupérés et compilés : quelle que soit la forme de la dent, son angle, le taux d’humidité des guides, la force de freinage par surface (F/T) est presque toujours comprise entre 3000 et 5000 lb/po2. La force de freinage F peut être considérée comme constante pour une géométrie de dent et une essence de bois donnée. Ainsi, à partir des résultats de l’essai de chute libre à pleine charge, il est possible d’estimer la décélération pour la cage à vide (ou avec très peu de travailleurs). En particulier, pour des essais conduits à la Colorado School of Mines, où la décélération à pleine charge a été mesurée à 0,6 g, on retrouve par calcul la décélération à vide (3,4 g). Pour ce cas particulier, on peut noter que dans la plupart des provinces canadiennes, le système parachute aurait été rejeté (décélération inférieure à 0,9 g ou 1 g). En considérant la même cage avec une décélération de 1 g à pleine charge, on peut estimer que la décélération serait de l’ordre de 5 g avec 1 travailleur (au lieu de 72 à capacité maximale).

L’arbre de défaillance comporte quarante-huit évènements élémentaires. Le retour d’expérience accumulé sur les parachutes traditionnels conjugué aux prescriptions réglementaires et à l’utilisation de dents de type Ontario permettent d’éliminer certains évènements élémentaires de l’arbre de défaillance. L’adéquation mécanisme / dents / guide des parachutes traditionnels génère onze évènements élémentaires qui peuvent entraîner un freinage limité, voire très limité du parachute. Il faut donc surveiller étroitement l’état des guides en bois, l’usure des guides et des dents, la position des dents par rapport aux guides et veiller à ce que les essences de bois soient les mêmes pour tous les guides en vis-à-vis.

Les parachutes modernes (système de freinage d'urgence de type pince de serrage) sont fonctionnels sur des guides en acier et leur principe de fonctionnement est similaire à celui des freins à disque : le guide en acier est enserré par deux patins munis de garnitures de freinage. Deux systèmes évolués disponibles sur le marché ont été étudiés. Ces deux systèmes sont des évolutions de systèmes qui servent à faire du positionnement.

L’ajout à l’un des systèmes de positionnement d’un accumulateur d’énergie sur le toit de la cage permet d’appliquer les freins en cas de rupture du câble. De plus, un signal est envoyé à la machine d’extraction dès que les freins sont appliqués pour éviter, par exemple, que le câble ne s’empile sur le toit de la cage. Cependant, la fiabilité de cette fonction de sécurité dépend de la communication entre la cage et la machine d’extraction. Ce système évolué est installé dans quelques mines hors du Québec, mais le retour d’expérience est encore très limité. Les compagnies minières craignent notamment l’application non désirée des freins lors de l’opération normale de la cage (freinage intempestif), ce qui pourrait générer des blessures pour les travailleurs. Il est muni de plusieurs redondances pour le rendre plus fiable. De nombreux essais de dégagement rapide ont été faits ainsi que quelques essais de chute libre. L’essai réalisé en Ontario (cage vide) a mis en évidence une décélération plus douce (1,4 g) qu’avec les parachutes traditionnels. Des essais à pleine charge devraient être faits en Afrique du Sud. Comme il est possible d’ajuster la pression d’application des patins sur les guides, il est théoriquement possible de contrôler la décélération en fonction de la charge de la cage. Les systèmes standards de positionnement sont installés un peu partout sur le globe et ce type de système a fait ses preuves au cours des années. Néanmoins, une correspondance avec un utilisateur du système évolué a soulevé de nombreux problèmes de fiabilité qui empêchent le système d’être utilisé au quotidien. Ce système semble devoir être fiabilisé avant que son usage ne soit généralisé.

Le second système évolué n’était, à notre connaissance en 2015, pas encore installé sur une cage. Le volume d’information trouvé pour ce système est restreint comparativement au premier. Selon le fabricant, le principal avantage est l’utilisation d’un circuit hydraulique fermé : contrairement au système évolué précédent qui doit avoir une source d’approvisionnement en air comprimé à chaque station, alors que ce système a un compresseur alimenté par batterie installé sur la cage. Ce circuit hydraulique fermé permet d’éviter l’introduction de polluants et diminue ainsi le risque de mauvais fonctionnement. Cependant, il faut signaler que tous les documents concernant le second système évolué ont été retirés du site du fabricant durant l’étude en 2014-2015, et que le contact initié avec eux n’a finalement pas abouti.

Les parachutes modernes permettent d’éliminer des évènements élémentaires présents dans l’arbre de défaillance des parachutes classiques. Cependant, d’autres évènements élémentaires doivent être ajoutés à l’arbre et les probabilités d’occurrence des différents évènements sont ainsi modifiées. Il faut alors prendre en considération toutes ces modifications pour évaluer la sécurité globale du système. Les parachutes modernes en sont à leurs débuts et leur développement sera dicté par l’utilisation de guides en acier. D’ici là, quelques pistes de recherche pourraient être envisagées afin de les rendre au minimum aussi fiables que les parachutes traditionnels, notamment : la communication cage / machine d’extraction, le déclenchement intempestif des parachutes en montée et l’utilisation de l’électronique.

Enfin, la mission des parachutes devrait être enrichie afin d’assurer la sécurité des travailleurs lors d’une défaillance mécanique ou lors d’une défaillance du système de commande de la machine d’extraction.

Une série de recommandations est proposée à la fin de chaque chapitre, pour un total de 24 recommandations.

[1] Maintenant Commission des normes, de l'équité, de la santé et de la sécurité du travail (CNESST).

[2]Rapport d’expertise (QR-1156-fr) rendu public sous la référence Giraud et Galy, 2022.

 

Informations complémentaires

Catégorie : Rapport d'expertise
Mis en ligne le : 20 juin 2022
Format : Texte