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. Un premier volet, déposé le 5 juin 2014[2], 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.

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. Part 1, submitted on June 5, 2014[2], presented a general review of the literature on safety catches and hoist ropes. This second part concerns possible solutions for preventing hoist rope failure and the resulting cage crashes.

Accidents involving crashes of hoisting machine cages are extreme cases if you consider the probability of such an event occurring and the severity of the consequences. In fact, the accident review presented in Part 1 revealed that cases involving cage crashes due to hoist rope failure are rare, but that when they do occur, the number of injured persons or fatalities can be high. This raises the question of the need for safety systems such as safety catches: is it more worthwhile to focus attention and efforts on hoist ropes (as in South Africa), or on safety catches in view of their low cost and the additional safety they offer?

The second chapter of this Part 2 report presents possible solutions for preventing hoist rope severance, as well as the related legislation. Research conducted in South Africa showed that deteriorations in hoist ropes are hard to anticipate and that no general rules can be enacted. However, the overall legislative and standards frameworks in South Africa limit the propagation of the root causes before they result in an accident. Various parameters play a role in the wear and tear on a hoist rope, and a solid knowledge of these mechanisms is needed to anticipate possible weakening. The breaking resistance of a hoist rope can vary greatly over its entire length, and the weakest resistance is rarely at the point of attachment. The criteria for replacing hoist ropes vary from one Canadian province to the other, but none of the provinces suggest considering the cumulative effects, contrary to Standard SABS0293 and Standard ISO 4309. In our view, taking cumulative effects into account is a practice that should be implemented to increase safety, regardless of the safety factor used.

Hoist rope strength can be evaluated through visual examination, electromagnetic examination, or a system for continuously monitoring the state of wear of the rope. Visual examinations should be performed under good lighting and visibility conditions. Two parameters are measured in electromagnetic tests: loss of metallic area (LMA) and localized faults (LFs). Electromagnetic tests provide valuable information on the “state of health” of hoist ropes, particularly on the inside of the rope, which is not visible. However, the apparatus used to perform this type of test has not been perfected and has certain limitations: sensitivity decreases with the depth of the fault, some broken internal wires are not always detectable, and the technician’s experience is a key factor. A training and certification program for hoist rope inspectors appears to be a very worthwhile option. Continuous rope monitoring systems, which are mandatory for lowering the safety factor (SF), allow real-time tracking of the condition of the rope and offer a considerable advantage during periodic electromagnetic inspections as efforts can be concentrated on the zones identified as weakened.

Three strategies should be prioritized to maximize the life span of hoist ropes: regular maintenance, limiting dynamic loads, and using new-generation ropes (mixed-material ropes, synthetic ropes). Automatic lubrication systems are available and allow the lubricant to be sprayed along the entire length of the hoist rope after a certain number of cycles, by connecting them to a programmable logic controller (PLC). Strict control over braking limits the dynamic loads on the rope and can thus prolong its life span. In fact, the majority of root-cause events leading to rope failure due to overloading are related to dynamic loads. Lastly, mixed-material ropes are becoming increasingly common in mine shafts and permit larger allowable loads without compromising worker safety. In the longer term, it will likely be possible to use 100%-synthetic ropes, which will require legislative amendments.

Traditional safety catches in service in Québec today are nearly all of the “Ontario dog” design, i.e. single-tooth safety dogs per side of the shaft guide, equipped with a splitter in order to remove the wood chips from the guide, as well as a heel that prevents complete turnover of the tooth and partially compensates for guide wear.

The deceleration generated by this type of safety system for mine conveyances is relatively high: in the order of 3 g (29.43 m/s2), which is what motivated the request for this expert report. While such decelerations can cause injuries to workers in the cage, a number of cases have been observed in which there were no injuries despite deceleration speeds of this order. The problem arises mainly with cages that are almost empty, as they will decelerate faster.

The braking force F (mean wood resistance) can be calculated by applying the energy conservation principle. The braking force per tooth can be estimated using empirical equations provided by the safety catch manufacturers. It appears that this F force is influenced by the dimensions of the tooth (width and depth of the cut), and by the angle it makes with the horizontal. The smaller the angle, the greater the braking force. While these equations are not perfect, they provide a relatively good – and somewhat conservative – estimate of the braking force per tooth.

The Ontario-type dogs provide a compensation mechanism for guide wear. The efficiency of this mechanism has been evaluated. It appears that the smaller the tooth angle, the less effectively the compensation mechanism is able to limit the loss of braking force. The braking force for a shaft guide that is swollen due to moisture will diminish when the tooth angle is small but will increase when the tooth angle is greater than 10°. If the guide width is strictly equal to the nominal width, the braking contribution of the safety-dog heel is approximately 8%.

Numerous results from free-fall tests have been collected and compiled: regardless of both tooth shape and angle and of the moisture content of the guides, the braking force per surface (F/T) is almost always between 3,000 and 5,000 lb/in2. Braking force F can be considered constant for a given tooth geometry and wood species. Hence, based on the results of the fully loaded cage free-fall test, it is possible to estimate the deceleration for an empty cage (or one carrying very few workers). In particular, for tests conducted at the Colorado School of Mines, in which fully loaded cage deceleration was measured at 0.6 g, we can calculate the empty cage deceleration (3.4 g). For this specific case, in most Canadian provinces, the safety catch system would have been rejected (deceleration less than 0.9 g or 1 g). Taking the same cage fully loaded with a deceleration of 1 g, the deceleration can be estimated in the order of 5 g with 1 worker (instead of 72 at maximum capacity).

The fault tree includes 48 root-cause events. Experiential feedback accumulated with traditional safety catches, combined with regulatory requirements and the use of Ontario dog-type teeth, helps eliminate some root-cause events from the fault tree. The mechanism/teeth/guide fit of traditional safety catches generates 11 root-cause events that can result in limited – indeed very limited – braking of the safety catch. It is therefore essential to closely monitor the condition of wooden shaft guides, wear on the guides and dog teeth, and tooth position relative to the guides, and to ensure that the same wood species are used for all pairs of guides.

Modern safety catches (clamp-type emergency braking system) work on steel shaft guides, and operate on a principle similar to that of disc brakes: the steel guide is gripped by two clamps equipped with braking pads. Two evolved systems available on the market have been studied. Both systems are evolutions of chairing devices.

The mounting of an energy accumulator on one of the chairing devices on the cage roof allows the brakes to be applied in the event of hoist rope failure. A signal is also sent to the hoisting machine as soon as the brakes are applied to prevent, for example, the hoist rope from piling up on the cage roof. However, the reliability of this safety function depends on the communication between the cage and the hoisting machine. This evolved system is found in a few mines outside Québec, but experiential feedback is still very limited. Mining companies fear the unwanted application of the brakes during normal cage operation (untimely braking), which could result in worker injury. It has been equipped with several redundant systems to make it more reliable. Many quick-release tests have been performed, as well as some free-fall tests. The empty-cage test performed in Ontario revealed gentler deceleration (1.4 g) than with conventional safety catches. Fully loaded cage tests are expected to be performed in South Africa. As the pressure applied by the heels on the shaft guides can be adjusted, it is theoretically possible to control the deceleration according to the cage load. The standard chairing devices are installed all over the world, and this type of system has proven itself over the years. Nonetheless, our correspondence with one user of the evolved system brought to light a number of reliability problems that prevent the system from being used on a daily basis. It appears that this system needs to be made more reliable before being brought into general use.

To the best of our knowledge, the second evolved system had not yet been installed on a cage in 2015. Only limited information is found on this system compared to the first system. According to the manufacturer, the main advantage is the use of a closed hydraulic circuit. Unlike the previously evolved system, which requires a compressed air supply at each station, this second system has a battery-driven compressor mounted on the cage. This closed hydraulic circuit prevents pollutants from entering, thus reducing the risk of malfunction. However, it is worth noting that all the documents concerning this second evolved system were removed from the manufacturer’s website during the 2014-2015 study, and that the contact we initiated with them was ultimately unsuccessful.

Modern safety catches help eliminate root-cause events present in the fault trees for conventional safety catches. However, other root-cause events must be added to the FT, thus modifying the probabilities of occurrence of different events. This means that all such modifications must be taken into consideration when evaluating the system’s overall safety. Modern safety catches are still in the very early stages, and their development will be dictated by the use of steel shaft guides. Until then, a few avenues of research could be pursued in order to make them at least as reliable as traditional safety catches, namely, cage/hoisting machine communication, the untimely activation of safety catches on cage ascent, and the use of electronics.

Lastly, the function of safety catches should be enhanced to ensure worker safety during mechanical failure or failure of the hoisting machine control system.

A series of recommendations is proposed at the end of each chapter of this Part 2 report, for a total of 24 recommendations.

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

[2] Expert Report (QR-1156-fr) published under the reference Giraud and Galy, 2022.

ISBN

9782897972042

Mots-clés

Mine, Mining industry, Machine de mine, Mining machine, Convoyeur, Conveyor, Gestion du risque, Risk management, Évaluation du matériel, Evaluation of equipment, Câble et cordage, Rope, Usure, Wear, Critère de risque, Hazard criteria

Numéro de projet IRSST

n/a

Numéro de publication IRSST

QR-1157-fr

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