Modernisation des parachutes de transporteurs de mines : volet 1 : état de l’art

Auteurs

Laurent Giraud, IRSSTFollow
Bertrand Galy, IRSSTFollow

Type de document

États de la question, rapports d'expertise et revues de littérature

Année de publication

2022

Langue

Français

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. L’écrasement d’un transporteur est subséquent à deux évènements dangereux distincts : (i) rupture du câble, et (ii) perte de contrôle du déplacement de la cage sans rupture du câble. Le présent rapport, qui est le volet 1 de ce mandat, présente un état de l’art portant sur les accidents de transporteurs miniers, les câbles d’extraction, les parachutes, les systèmes évitant la perte de contrôle du déplacement de la cage, et la législation relative aux câbles et parachutes à travers le Canada. L’étude des deux évènements dangereux précédents constituera respectivement les volets 2 et 3 de ce mandat.

La majorité des puits de mines souterraines au Canada est équipée de treuils à tambour munis d’un unique câble d’extraction attaché au transporteur. Pour éviter l’écrasement de la cage en cas de rupture du câble, un système parachute est obligatoire. Ce système a été imaginé au milieu du XIXe siècle par le français Fontaine et un système similaire a été breveté par Otis quelques années après pour les ascenseurs civils. Le système actuel est l’héritier des améliorations apportées à la suite de l’accident de Paymaster (Ontario) en 1945, qui fit 16 morts. Les parachutes sont encore obligatoires aujourd’hui dans la plupart des réglementations nord-américaines, mais ils ne sont plus utilisés en Europe et en Afrique du Sud.

Les ruptures de câbles sont relativement rares et pas une seule n’est survenue en Ontario sur la période 1994-2004. L’analyse de trois accidents récents au Québec (2009, 2011, 2013) a montré que la rupture du câble n’était pas en cause. Par ailleurs, au Québec, la rupture du câble est la cause immédiate et directe d’un seul accident de cage ou de skip au cours des 30 dernières années. Par contre, quelques cas (5) de rupture de câbles au Canada, sur les vingt dernières années, ont été mentionnés par les personnes que nous avons pu rencontrer. Aux États-Unis, les accidents ou incidents de transporteurs sont relativement rares également (0,41 % des décès). Les cas d’écrasement de la cage recensés sont de deux types : puits vertical et écrasement de la cage dans le chevalement (treuil à friction), puits incliné et écrasement de la cage au fond du puits à la suite d'un défaut de freinage.

La méthode de l’arbre de défaillance est utilisée pour comprendre les causes qui mènent à l’écrasement du transporteur au fond du puits. Deux arbres de défaillance sont présentés dans ce rapport. Le premier arbre traite du cas de l’écrasement de la cage au fond du puits (évènement indésirable) subséquent à la rupture du câble. L’autre traite du cas de l’écrasement de la cage à l’une des extrémités du puits (évènement indésirable) sans rupture du câble. Ces arbres de défaillance seront détaillés dans les volets 2 et 3 du mandat respectivement et serviront à identifier les forces et faiblesses des différents systèmes de sécurité.

Deux écoles de pensée s’affrontent : (i) la meilleure sécurité est de disposer d’un câble de bonne qualité, bien entretenu et inspecté régulièrement (Afrique du Sud), (ii) les câbles cassent malgré les progrès et les inspections, il faut donc un parachute pour éviter l’écrasement de la cage (Amérique du Nord). Le câble est une pièce d’usure qu’il faut surveiller et changer régulièrement contrairement à la machine d’extraction qui est généralement utilisée pour toute la durée d’exploitation du puits. Un câble est sélectionné en fonction de son utilisation et il aura une durée de vie variable suivant l’usage et les équipements : de 12 à 18 mois pour les treuils à tambour lorsque les puits sont très profonds (et jusqu’à 3-4 ans pour les puits moins profonds), et de 24 à 48 mois pour les treuils à friction (jusqu’à 7 ans pour les puits peu profonds). Les câbles mixtes (acier/synthétique) sont peu à peu mis en œuvre dans les puits, et à plus long terme on pourrait peut-être voir l’utilisation de câbles 100 % synthétiques. Les câbles sont sujets à l’usure par abrasion, à la corrosion (externe et/ou interne) et à la fatigue (rupture de fils au cours du temps). Il faut également veiller à limiter les charges dynamiques (accélération ou freinage trop brusques, défauts dans les guides, défaut de rotondité de la molette…) ainsi que le relâchement de la tension du câble qui peut entraîner des défauts. Afin de s’assurer que le câble peut être utilisé sans risques, des inspections visuelles quotidiennes sont effectuées. Ces inspections sont limitées à la partie externe du câble (partie visible) et le câble doit être très propre pour réaliser ces inspections dans les meilleures conditions possibles. Des tests de rupture sont faits à intervalles réguliers afin d’estimer l’état d’usure du câble et des tests non destructifs (électromagnétiques) sont aussi réalisés. Cependant, le test de rupture est effectué sur une section du câble proche de l’attache du transporteur afin de limiter le raccourcissement du câble. Ce test n’est donc peut-être pas représentatif de la résistance réelle à la rupture du câble sur toute sa longueur, car la section testée est probablement la partie du câble la moins sollicitée (pas de frottement, pas de passage sur la molette et charge la plus faible). Il faut néanmoins noter que cette partie du câble est sujette à la corrosion. Des dispositifs de suivi continu du câble ont fait leur apparition sur le marché. Deux types de systèmes coexistent : les systèmes électromagnétiques et les systèmes optiques. Ces systèmes, associés à tout un programme de surveillance du câble, permettent d’abaisser le facteur de sécurité de ce dernier.

En cas de rupture du câble, les parachutes ont pour mission d’arrêter la chute de la cage. Le système traditionnel, installé sur toutes les cages au Québec, est issu des recherches entreprises après l’accident de Paymaster. Il nécessite des guides en bois et se déclenche lorsque la tension dans le câble est insuffisante. Son principe de fonctionnement, le freinage par arrachage de bois, ne permet pas d’avoir un grand contrôle sur la décélération. De plus, l’état des guides en bois et la position relative guides/dents influencent la décélération. Enfin, lorsque la cage est vide, la décélération est plus importante. Des systèmes modernes fonctionnant sur des guides en métal sont proposés par deux compagnies au Canada mais très peu de mines en sont équipées. Il s’agit d’une évolution des systèmes de positionnement de ces compagnies. L’un de ces systèmes a subi un test de chute libre (cage vide) et une décélération moyenne de 1,44 g a été mesurée. Des tests à pleine charge devraient être effectués en Afrique du Sud prochainement. Un des défauts de ces systèmes est le risque de déclenchement intempestif.

La perte de contrôle du déplacement de la cage est l’évènement dangereux qui a mené à la plupart des accidents récents recensés dans ce rapport. Cette partie sera détaillée dans le volet 3. Afin d’éviter la perte de contrôle du déplacement de la cage, on peut utiliser plusieurs systèmes de freinage redondants (mécanique au tambour, dynamique, et éventuellement un frein de câble). Outre ces différents systèmes de freinage, des contrôleurs sont mis en œuvre pour éviter la perte de contrôle du déplacement de la cage. Traditionnellement, c’est le contrôleur Lilly qui est utilisé. Cependant, il est de plus en plus remplacé par des contrôleurs numériques. La fiche technique RF-412 publiée par l’IRSST en 2005 et citée à l’article 216.1 du Règlement sur la santé et la sécurité du travail dans les mines (RSSM), traite des systèmes de commande programmables[2].

Toutefois, elle préconise de garder un système de sécurité électromécanique indépendant. Enfin, certaines études récentes s’orientent vers un monitoring global de toutes les composantes du système d’extraction afin d’assurer la sécurité de la cage.

La dernière partie de ce rapport est la comparaison des réglementations provinciales relatives aux câbles d’extraction et aux parachutes. Il en ressort que les parachutes sont obligatoires dans toutes les provinces canadiennes si la cage n’est retenue que par un seul câble. Toutes les provinces demandent une inspection quotidienne, uniquement visuelle dans certaines provinces et plus ou moins complète dans d’autres. À intervalles réguliers, des essais de dégagement rapide doivent être effectués (vitesse initiale nulle) afin de s’assurer du bon fonctionnement du système. Un essai de chute libre (vitesse initiale non nulle) est obligatoire avant la mise en service de la cage et après toute modification apportée aux parachutes ou à la cage. La plupart des provinces prescrivent un intervalle de décélération acceptable pour les essais de chute libre : entre 1 g et 3 g ou entre 0,9 g et 2 g suivant les provinces (il n’y a pas d’intervalle de décélération prescrit par le RSSM au Québec).

Les facteurs de sécurité (FS) des câbles d’extraction sont relativement similaires d’une province à l’autre. En général, un FS de 5,0 à la molette est nécessaire. Deux provinces (l’Ontario et le Québec) permettent d’abaisser ce FS, à la condition que les méthodes d’inspection utilisées en Afrique du Sud soient appliquées (et qu’un programme de suivi continu de l’état du câble soit mis en œuvre au Québec). Les câbles d’extraction doivent être régulièrement lubrifiés et une inspection visuelle quotidienne est obligatoire (au Québec, cette inspection peut être remplacée par un suivi continu de l’état du câble ou une inspection électromagnétique, art. 305). Deux autres types d’essais sont obligatoires dans toutes les provinces : les essais non destructifs et les essais de rupture. La fréquence de ces essais varie significativement d’une province à l’autre. Les essais de rupture sont faits sur des échantillons de 2,5 m de long et il apparaît que le seul laboratoire autorisé à faire de tels essais est celui du ministère du Travail de l’Ontario (MOL) à Sudbury. Quelques provinces réfèrent à la norme CAN/CSA G4 pour les modalités de l’essai, mais dans les faits tous les essais de rupture semblent effectués selon cette norme. Enfin, les critères de retrait des câbles sont relativement semblables : perte de résistance inférieure à 10 %, nombre de fils cassés inférieur à 5 % sur un pas de toron (cause principale de retrait dans les faits), élasticité du câble réduite. Certaines provinces rajoutent d’autres critères de retrait. La norme ISO 4309 (non référencée dans les différentes réglementations provinciales) propose une méthode de calcul des effets cumulatifs de l’usure des câbles.

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

[2] La fiche technique RF-412 a été mise à jour, et la nouvelle version, RF-1049 a été publiée en 2019.

Abstract

This study was initiated by an October 25, 2013 letter written by a Union member of the sub-committee on hoisting machines of the Commission de la santé et de la sécurité du travail (CSST)[1]. The letter asked the sub-committee to mandate the Institut de recherche Robert-Sauvé en santé et en sécurité du travail (IRSST) to evaluate emergency arrest systems (safety catches and other systems) for mine conveyances in use worldwide, ultimately with a view to modernizing the safety catches required on mine conveyances in Québec. Conveyance crashes result from two different hazardous events: (i) hoist rope failure and (ii) loss of control of cage movement with no rope failure. This report, which covers Part 1 of the above mandate, provides a state of the art on mine conveyance accidents, hoist ropes, safety catches, safety systems for preventing loss of control of cage movement, and the different regulations governing hoist ropes and safety catches across Canada. Parts 2 and 3 of this mandate will examine the two aforementioned types of hazardous events.

Most of the underground mine shafts in Canada have drum hoists equipped with a single hoist rope attached to the conveyance. A safety catch system is mandatory to prevent cage crashes in the event of rope failure. This system was invented in the mid-19th century by the Frenchman Fontaine, and a similar system was patented by Otis a few years later for civilian elevators. The current system is the result of improvements made following the 1945 Paymaster (Ontario) accident, which claimed 16 lives. Safety catches are still required today under most North American regulations, but are no longer used in Europe or South Africa.

Rope failure incidents are relatively rare, and none occurred in Ontario between 1994 and 2004. Analysis of three recent accidents in Québec (2009, 2011, 2013) showed that rope failure was not the cause. Also in Québec, rope failure has been the immediate and direct cause of only one cage or skip accident in the past 30 years. However, a handful of cases (5) involving rope failure in Canada in the past 20 years were mentioned by the individuals we interviewed. In the United States, mine conveyance accidents or incidents are also relatively rare (0.41% of mining fatalities). Documented cage crashes fall into two categories: vertical shaft and cage crashes into the headframe (friction hoist); inclined shaft and cage crashes at the bottom of the shaft following a failure in the braking system.

The fault tree (FT) method is used to understand the root causes of conveyance crashes at the bottom of the shaft. Two FTs are presented in this report. The first concerns cage crashes at the bottom of the shaft (undesired event) following rope failure. The second concerns cage crashes at one of the ends of the shaft (undesired event) with no rope failure. These fault trees will be detailed in parts 2 and 3 of the mandate respectively and will serve to identify the strengths and weaknesses of the different safety systems.

There are two main schools of thought regarding mine safety: (i) the best safety system is to use a good-quality hoist rope that is well maintained and replaced regularly (South Africa), and (ii) safety catches are needed to prevent cage crashes because hoist ropes break despite the progress made and inspections (North America). Hoist ropes are susceptible to wear and must be monitored and changed regularly, unlike hoisting machines, which are generally used for the entire operating life of the shaft. Hoist ropes are selected on the basis of their use and have varying life spans depending on use and the equipment involved: from 12 to 18 months for drum hoists when shafts are very deep (up to 3 or 4 years for shallower shafts), and from 24 to 48 months for friction hoists (up to 7 years for shallower shafts). Mixed-material (steel/synthetic) hoist ropes are gradually being introduced in shafts, and in the longer term, conceivably 100% synthetic hoist ropes will be used. Hoist ropes are subject to wear by abrasion, corrosion (external and/or internal) and fatigue (rope failure over time). Care must also be taken to limit dynamic loads (sudden acceleration or braking, defects in the shaft guides, lack of roundness of the sheave, etc.), as well as slackening of tension in the hoist rope, which can lead to failures. Daily visual inspections are performed to ensure that the rope can be used risk-free. These inspections are limited to the outer, visible part of the hoist rope, and it must be very clean for optimal inspection conditions. Break tests are carried out at regular intervals to assess the state of wear of the rope, and non-destructive electromagnetic tests are also conducted. However, break tests are performed on a section of the hoist rope close to the conveyance attachment to limit the shortening of the rope. This test may, therefore, not be representative of the actual breaking strength of the rope over its entire length, since the section tested is probably the part of the rope subject to the least stress (no friction, no passage on the sheave, and lowest load). However, this part of the rope is also prone to corrosion. Devices for continuous monitoring of hoist ropes are now appearing on the market, and include two types of systems: electromagnetic systems and optical systems. When combined with a comprehensive rope monitoring program, these systems reduce the safety factor required of the hoist rope.

Safety catches are designed to stop falling cages in the event of hoist rope failure. The traditional system, found on all cages in Québec, is the result of studies conducted following the Paymaster accident. It requires wooden shaft guides and is triggered when there is insufficient tension on the hoist rope. Its operating principle – braking through wood chipping – provides little control over deceleration. In addition, the condition of the wooden shaft guides and the relative position of the guides/teeth influence the deceleration. Lastly, an empty cage means greater deceleration. Modern systems operating on metal guides have been proposed by two companies in Canada, but to date, very few mines are equipped with them. The metal-guide positioning systems of these companies are evolving. One of these systems underwent free-fall testing (empty cage) and an average deceleration of 1.44 g was measured. Fully loaded cage testing is expected to be carried out in South Africa in the near future. One of the undesirable drawbacks of these systems is the risk of unintentional activation.

Loss of control of the cage’s movement was the hazardous event that led to most of the recent accidents documented in this report. This aspect will be detailed in Part 3. Several redundant braking systems (mechanical brake on the drum, dynamic brake, and possibly a hoist rope brake) can be used to prevent loss of control of the cage’s movement. Apart from these different braking systems, speed controllers are used to prevent loss of control of the cage’s movement. Traditionally, the Lilly controller is used, but it is increasingly being replaced by digital controllers. The RF-412 data sheet published by the IRSST in 2005 and cited in section 216.1 of Québec’s Regulation respecting occupational health and safety in mines (ROHSM) deals with programmable control systems[2].

However, it recommends keeping an independent electromechanical safety system. Lastly, some recent studies are leaning toward comprehensive monitoring of all components of the hoisting system to ensure mine cage safety.

The last part of this report compares provincial regulations governing hoist ropes and safety catches. Safety catches are mandatory in all Canadian provinces for cages supported by a single hoist rope. All provinces also require daily inspection, which is solely visual in some provinces but more or less comprehensive in others. Quick-release tests must be performed at regular intervals (null initial speed) to ensure proper functioning of the system. A free-fall test (initial speed differs from zero) is mandatory before putting the cage into service and after making any changes to the safety catches or the cage. Most of the provinces prescribe an acceptable deceleration interval for free-fall tests of between 1 g and 3 g or between 0.9 g and 2 g, depending on the province (there is no deceleration interval prescribed in Québec’s ROHSM).

The safety factors (SFs) for hoist ropes are relatively similar between provinces. In general, an SF of 5.0 on the head sheave is needed. Two provinces (Ontario and Québec) allow for reducing this SF, provided that the inspection methods used in South Africa are applied (and in Québec, that a program of continuous monitoring of the condition of the hoist rope is implemented). Hoist ropes must be lubricated regularly and daily inspection is mandatory (in Québec, this inspection may be replaced by continuous monitoring of the state of wear of the hoist rope or by an electromagnetic inspection, as per section 305 of the ROHSM). Two other types of tests are mandatory in all the provinces: non-destructive tests and break tests. The frequency of these tests varies significantly from province to province. Break tests are performed on samples measuring 2.5 m in length, and it appears that the only laboratory authorized to conduct such tests is that of the Ontario Ministry of Labour in Sudbury. A few provinces refer to CSA Standard CAN/CSA G4 for testing modalities, but in actual fact, all break tests appear to be conducted according to this standard. Lastly, the discard criteria for hoist ropes are relatively similar: loss of resistance of less than 10%, number of broken wires less than 5% on one lay length (main cause of discard, in fact), reduced elasticity of the hoist rope. Certain provinces add other discard criteria. Standard ISO 4309 (not referenced in the different provincial regulations) proposes a method for calculating the cumulative effects of wear and tear on hoist ropes.

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

[2] The RF-412 data sheet has been updated, and the new version, RF-1049, was published in 2019.

ISBN

9782897972035

Mots-clés

Mine, Mining industry, Machine de mine, Mining machine, Convoyeur, Conveyor, Identification de dangers, Hazard identification, Gestion du risque, Risk management, Évaluation du matériel, Evaluation of equipment, Législation, Legislation, Canada

Numéro de projet IRSST

n/a

Numéro de publication IRSST

QR-1156-fr

Citation recommandée

Giraud, L. et Galy, B. (2022). Modernisation des parachutes de transporteurs de mines : volet 1 : état de l’art (Rapport d'expertise n^° QR-1156-fr). IRSST.