IMPACT DE LA MÉCANISATION SUR LA
VENTILATION DANS LES MINES SOUTERRAINES
DU QUÉBEC
Mémoire
Rody Mafuta Kasonga
Maîtrise en génie des mines
Maître ès Sciences (M. Sc.)
Québec, Canada
© Rody Mafuta, 2013
iii
Résumé
L’objectif de ce projet est de dresser le portrait de l’utilisation des équipements mus par un moteur à combustion interne dans les mines souterraines du Québec et d’établir leur impact sur la qualité de l’air et les besoins en ventilation. Ainsi, de juin 2010 à septembre 2011, 17 mines souterraines de la province ont été contactées. La banque de données obtenues comprend 9 mines en production et 4 mines en développement. Ces données ont servi au calcul d’indices de conformité sur le respect de la réglementation en ce qui a trait aux limites des concentrations et aux délais d’échantillonnage du monoxyde de carbone et des matières particulaires diesel. En outre, quelques technologies de contrôle des matières particulaires diesel (MPD) sont présentées, le potentiel de réduction de la concentration moyenne des MPD dans le réseau principal des mines est évalué pour certaines d’entre elles. Finalement, certains indices calculés permettent d’établir l’impact du niveau de mécanisation sur les besoins en ventilation.
v
Abstract
The objective of this project is to develop a profile of the use of equipment powered by an internal combustion engine in Quebec underground mines and establish their impact on air quality. Thus, from June 2010 to September 2011, 17 underground mines in the province were contacted. The database obtained contains 9 producing mines and 4 mines under development. These data were used to calculate indices of compliance with respect to concentration limits and sampling of carbon monoxide as well as diesel particulate matter (DPM). In addition, some DPM control technologies are presented, the potential for reducing the average concentration of DPM in the main network is evaluated for some control technologies. Finally, some indices were calculated to establish the impact of mechanization on ventilation requirements.
vii
Table des matières
RÉSUMÉ... III SUMMARY ... ERREUR ! SIGNET NON DEFINI. TABLE DES MATIÈRES ... VII LISTE DES TABLEAUX ... XI LISTE DES GRAPHIQUES ... XI LISTE DES FIGURES ... XIII SYMBÔLES ... XV GLOSSAIRE ... XIX CONVERSION ... XXV 1 INTRODUCTION ... 1 1.1 MISE EN CONTEXTE ... 1 1.2 OBJECTIFS DU PROJET ... 2
2 IMPACT DE L’UTILISATION DES ÉQUIPEMENTS MUS AU DIESEL SUR LA QUALITÉ DE L’AIR MINIER .... 3
2.1 MONOXYDE DE CARBONE (CO) ... 5
2.2 DIOXYDE DE CARBONE (CO2) ... 7
2.3 OXYDES D’AZOTE (NOX) ... 8
2.4 DIOXYDE DE SOUFRE (SO2) ... 8
2.5 EFFET DE LA CHALEUR SUR LA PRODUCTIVITÉ ... 9
3 MATIÈRES PARTICULAIRES DIESEL (MPD) ... 11
3.1 INDICES D’ESTIMATION DES MATIÈRES PARTICULAIRE DIESEL ... 13
3.2 MÉTHODES DE MESURE DES INDICES D’ESTIMATION ... 15
3.3 VALEUR D’EXPOSITION LIMITE AU QUÉBEC ET AILLEURS ... 16
4 ... COLLECTE DES DONNÉES D’ÉQUIPEMENTS MOTORISÉS DANS LES MINES SOUTERRAINES DU QUÉBEC ... 21
5 PRÉSENTATION, ANALYSE ET DISCUSSION DES RÉSULTATS ... 25
5.1 INDICE DE CONFORMITÉ ... 25
5.1.1 Indice de conformité sur la concentration de PCR ... 25
viii
5.1.3 Indice de conformité sur le respect de la fréquence de relevé de CO aux endroits de travail .. 30
5.1.4 Indice de conformité de la concentration de CO à l’échappement ... 31
5.1.5 Indice de conformité de la fréquence de relevé à l'échappement ... 33
5.1.6 Récapitulatif des indices de conformité des mines souterraines du Québec ... 34
5.2 MESURES DE CONTRÔLE DE MPD ET RÉDUCTION POTENTIELLE DES ÉMISSIONS DIESEL ... 35
5.2.1 Maintenance des équipements ... 36
5.2.2 Sélection de moteurs ... 36
5.2.3 Choix du carburant ... 38
5.2.4 Dispositif de traitement des gaz d’échappement ... 39
5.3 POTENTIEL DE RÉDUCTION DE LA CONCENTRATION DES MPD DANS LES MINES DU QUÉBEC ... 42
5.3.1 Application des technologies de contrôle des MPD sur l’ensemble des équipements ... 45
5.3.2 Application des technologies de contrôle des MPD sur les équipements de halage et chargement uniquement ... 47
5.4 SURVOL DES ÉQUIPEMENTS MUS AU DIESEL ... 50
5.4.1 Chargeuses navettes ... 50
5.4.2 Camions ... 51
5.4.3 Jumbos de forage ... 52
5.4.4 Boulonneuses ... 53
5.4.5 Transporteurs de personnel et de matériel ... 54
5.4.6 Véhicules munis de plateformes élévatrices (ciseaux) ... 54
5.4.7 Foreuses ... 55
5.4.8 Autres équipements mobiles ... 56
5.4.9 ... Récapitulatif des équipements mus au diesel dans les mines souterraines du Québec en 2012 ... 56
5.5 INDICATEURS CARACTÉRISANT L’UTILISATION DES ÉQUIPEMENTS MUS AU DIESEL... 59
5.5.1 Débit d’air fourni dans les mines souterraines québécoises ... 61
5.5.2 Puissances motrices des équipements dans la mine par tonne extraite ... 64
5.5.3 Débit d’air fourni par rapport à la puissance cumulative des équipements de la mine ... 66
5.5.4 Débit d’air exigé dans la mine par tonne extraite ... 67
5.5.5 Discussion des résultats ... 68
5.6 MODÈLE DE PRÉDICTION DU DÉBIT D’AIR POUR LES MINES QUÉBÉCOISES ... 72
5.6.1 Modèle de prédiction du nombre d’échantillons de PCR>0,6 mg/m3 par poste de travail ... 74
5.6.2 Prédictions du débit réel par la profondeur ultime de la mine ... 76
ix 5.6.4 Prédictions du débit réel par le tonnage journalier hissé et la puissance nominale totale des
équipements installés dans la mine... 80
5.6.5 Prédictions du débit réel par le tonnage journalier hissé et la profondeur ultime de la mine. . 82
6 CONCLUSION ... 83
BIBLIOGRAPHIES ... 89
ANNEXE 1 : ARTICLE 102 RÈGLEMENT SUR LA SANTÉ ET LA SÉCURITÉ DU TRAVAIL DANS LES MINES AU QUÉBEC [C. S-2.1, R. 14] ... A ANNEXE 2 : VÉRIFICATION DES HYPOTHÈSES POUR LE MODÈLE DE LA CONFORMITÉ DES ÉCHANTILLONS .. C ANNEXE 3 : VÉRIFICATION DES HYPOTHÈSES POUR LE MODÈLE DU DÉBIT EN FONCTION DU TONNAGE ET DE LA PROFONDEUR ... E ANNEXE 4 : QUESTIONNAIRE N°1 ... H ANNEXE 5 : QUESTIONNAIRE N°2 ... I ANNEXE 6 : QUESTIONNAIRE N°3 ... K ANNEXE 7: EXEMPLES DE CALCUL D’INDICES POUR UNE MINE ... L Calcul d’indices caractérisant les opérations ... L Puissance utilisée (PU) ... O Débit exigé(QE) ... P Proportion du débit exigé par la machinerie ... Q Proportion du débit d’air exigé par catégorie d’équipements ... Q Puissance des moteurs diesel par tonne de tout-venant hissée (minerai et stérile) par jour et tonne par kW ... R Proportion d’air par tonne journalière hissée... S ANNEXE 8 : STANDARD D’ÉMISSIONS DES MOTEURS HORS ROUTE NIVEAUX 1-3 ... U ANNEXE 9 : CALCUL DES ÉMISSIONS DE MPD PAR ÉQUIPEMENT ... W FIGURE 1:SCHÉMA D’UNE PARTICULE D'ÉCHAPPEMENT DE MOTEUR DIESEL (METZ,2001) ... 12
FIGURE 2:CHARGEUSE NAVETTE EN OPÉRATION ... 51
FIGURE 3:CAMION EN OPÉRATION ... 52
FIGURE 4:JUMBO DE FORAGE EN OPÉRATION ... 53
FIGURE 5:BOULONNEUSE EN OPÉRATION ... 53
x
FIGURE 7:VÉHICULES MUNIS DE PLATEFORMES ÉLÉVATRICES (CISEAUX) ... 55
FIGURE 8:FOREUSE LONG TROU EN OPÉRATION ... 55
xi
LISTE DES TABLEAUX
TABLEAU 1:CONCENTRATION NORMALE DANS L’AIR ET VALEUR D’EXPOSITION MAXIMALE PERMISE AU QUÉBEC DES PRODUITS
D'ÉCHAPPEMENT D'UN MOTEUR À COMBUSTION INTERNE... 5
TABLEAU 2:RÉACTION PHYSIOLOGIQUE DUE AU MONOXYDE DE CARBONE EN FONCTION DE LA SATURATION DU SANG EN CARBOXYHÉMOGLOBINE (MCPHERSON,1993) ... 6
TABLEAU 3:RÉACTION PHYSIOLOGIQUE DUE AU DIOXYDE DE CARBONE (MCPHERSON,M.J.,1993) ... 7
TABLEAU 4:RÉACTION PHYSIOLOGIQUE DUE À L’INTOXICATION AU DIOXYDE D’AZOTE (MCPHERSON,M.J.,1993) ... 8
TABLEAU 5:RÉACTION PHYSIOLOGIQUE DUE À L’INTOXICATION AU DIOXYDE DE SOUFRE (MCPHERSON,M.J.,1993) ... 9
TABLEAU 6:NIVEAU D’EXPOSITION TYPE AU MPD DE CERTAINES PROFESSIONS (SCHNAKENBERG, ET AL.,2002) ... 17
TABLEAU 7:VALEUR LIMITE D’EXPOSITION AUX MPD PAR PAYS ET ORGANISATION (SCHNAKENBERG, ET AL.,2002) ... 18
TABLEAU 8:DONNÉES SUR LES PARAMÈTRES D’ÉQUIPEMENTS RECUEILLIES PAR MINE ... 24
TABLEAU 9:REGROUPEMENT DES TÂCHES ... 27
TABLEAU 10:EXPOSITION AUX PCR PAR TYPE DE TÂCHE ... 28
TABLEAU 11:INDICES DE CONFORMITÉ AUX CONCENTRATIONS ET AUX DÉLAIS D'ÉCHANTILLONNAGE DU CO ET DES PCR ... 35
TABLEAU 12:DÉBIT À FOURNIR POUR SE CONFORMER AUX NORMES DE 400 ET 160 µG/M3 DE CT ... 43
TABLEAU 13:CONTRIBUTION DES CATÉGORIES D'ÉQUIPEMENTS DANS LES ÉMISSIONS TOTALES DES MPD ... 44
TABLEAU 14:SOMMAIRE DE LA QUANTITÉ DES ÉQUIPEMENTS MOTORISÉS PAR MINE ... 57
TABLEAU 15:DÉBIT PAR TONNE DE MINERAI HISSÉ ... 59
TABLEAU 16:PUISSANCE DES ÉQUIPEMENTS PAR TONNE DE TOUT-VENANT HISSÉ ... 60
TABLEAU 17:TAUX D'UTILISATION ESTIMÉ PAR CATÉGORIE D'ÉQUIPEMENT ... 61
TABLEAU 18:TAUX D'UTILISATION RÉEL PAR CATÉGORIES D'ÉQUIPEMENT ... 63
TABLEAU 19:CORRÉLATION ENTRE LES VARIABLES EXOGÈNES DE LA RÉGRESSION ... 73
TABLEAU 20:DONNÉES COMPLÉMENTAIRES POUR LE CALCUL D'INDICE ... N TABLEAU 21:PROPORTION DU DÉBIT EXIGÉ PAR CATÉGORIE D'ÉQUIPEMENTS ... R TABLEAU 22: TIERS 1-3STANDARD D'ÉMISSIONS DES MOTEURS HORS ROUTE G/KW (G/HP.HR)(ECOPOINT INC.,1997) ...U TABLEAU 23:NIVEAU 4STANDARDS D'ÉMISSION DES MOTEURS HORS ROUTES G/KW (G/HP.HR)(ECOPOINT INC.,1997) ... V
LISTE DES GRAPHIQUES
GRAPHIQUE 1:EFFET PHYSIOLOGIQUE DU MONOXYDE DE CARBONE (DÉVELOPPÉ DE STRANG AND WOOD,1985)(MCPHERSON, M.J.,1993) ... 7GRAPHIQUE 2:INFLUENCE DE LA TEMPÉRATURE EFFECTIVE SUR LES PERFORMANCES DES TRAVAILLEURS (MCPHERSON,M.J., 1993) ... 10
GRAPHIQUE 3:EXPOSITION AUX PCR DES TRAVAILLEURS MINIERS AU QUÉBEC SELON LES DONNÉES RECUEILLIES LORS DE CETTE ÉTUDE ... 19
xii
GRAPHIQUE 4:HISTOGRAMME DES ICCPCR ... 26
GRAPHIQUE 5:INDICE DE CONFORMITÉ À LA LIMITE D’EXPOSITION AU CO DANS LE CIRCUIT DE VENTILATION ... 29
GRAPHIQUE 6:HISTOGRAMME INDICES DE CONFORMITÉ FRÉQUENCE D'ÉCHANTILLONNAGE DE CO ... 31
GRAPHIQUE 7:INDICE DE CONFORMITÉ À LA CONCENTRATION MAXIMALE DE CO À L'ÉCHAPPEMENT ... 32
GRAPHIQUE 8:INDICE DE CONFORMITÉ À LA FRÉQUENCE DE RELEVÉ DE CO À L'ÉCHAPPEMENT ... 34
GRAPHIQUE 9:EFFICACITÉ DE DIFFÉRENTES TECHNOLOGIES DE CONTRÔLE DES CE(BUGARSKI, ET AL.,2006) ... 41
GRAPHIQUE 10:CONCENTRATION MOYENNE DES PARTICULES DIESEL DANS LES MINES DU QUÉBEC (DONNÉES COLLECTÉES PAR L’AUTEUR) ... 42
GRAPHIQUE 11:RÉDUCTION DES MPD MESURÉS LORSQUE LES MOYENS DE CONTRÔLE SONT APPLIQUÉS À TOUTE LA FLOTTE ... 46
GRAPHIQUE 12:RÉDUCTION DES MPD ESTIMÉS LORSQUE LES MOYENS DE CONTRÔLE SONT APPLIQUÉS À TOUTE LA FLOTTE ... 46
GRAPHIQUE 13:RÉDUCTION DES MPD MESURÉS LORSQUE LES MOYENS DE CONTRÔLE SONT APPLIQUÉS AUX ÉQUIPEMENTS DE HALAGE ET CHARGEMENT ... 48
GRAPHIQUE 14:RÉDUCTION POTENTIELLE DES MPD ESTIMÉS LORSQUE LES MOYENS DE CONTRÔLE SONT APPLIQUÉS À L’ENSEMBLE DES ÉQUIPEMENTS ... 48
GRAPHIQUE 15 :PROPORTION DES CATÉGORIES D’ÉQUIPEMENTS SELON LEUR NOMBRE POUR L’ENSEMBLE DES MINES ... 58
GRAPHIQUE 16:PROPORTION DE LA PUISSANCE CUMULATIVE PAR CATÉGORIE D'ÉQUIPEMENT POUR L’ENSEMBLE DES MINES ... 59
GRAPHIQUE 17:HISTOGRAMME DES DÉBITS RÉELS DANS LA MINE ET DES DÉBITS EXIGÉS DUS À LA MACHINERIE ... 62
GRAPHIQUE 18:DIFFÉRENCE ENTRE DÉBIT RÉEL ET DÉBIT AJUSTÉ AU TAUX D'UTILISATION RÉELLE (TUR) DÛ À L'UTILISATION DES ÉQUIPEMENTS MOTORISÉS ... 64
GRAPHIQUE 19:PUISSANCES TOTALES INSTALLÉE ET CALCULÉE SELON LE TAUX D’UTILISATION ESTIMÉE PAR TONNE DE ROCHE HISSÉE ... 65
GRAPHIQUE 20:DÉBIT FOURNI PAR KW DE PUISSANCE DIESEL ... 66
GRAPHIQUE 21:DÉBIT EXIGÉ PAR TONNE DE ROCHE HISSÉE DUE À L'UTILISATION DES ÉQUIPEMENTS MOTORISÉS ... 67
GRAPHIQUE 22:DÉBIT RÉEL PAR DIFFÉRENTS GROUPES DE MINES ... 69
GRAPHIQUE 23:ÉCART ENTRE LE DÉBIT MOYEN EXIGÉ PAR TONNE HISSÉE POUR L’ENSEMBLE DES ÉQUIPEMENTS ... 70
GRAPHIQUE 24:ÉCART ENTRE LE DÉBIT EXIGÉ PAR TONNE POUR LES ÉQUIPEMENTS DE HALAGE ... 70
GRAPHIQUE 25:ÉCART ENTRE LA PUISSANCE MOYENNE PAR TONNE INSTALLÉE DES TROIS GROUPES ... 72
GRAPHIQUE 26:VARIATION DU DÉBIT RÉEL PAR RAPPORT À LA PROFONDEUR ULTIME ... 76
GRAPHIQUE 27:VARIATION DU DÉBIT RÉEL PAR RAPPORT AU TONNAGE JOURNALIER HISSÉ POUR LES MINES QUÉBÉCOISES ... 77
GRAPHIQUE 28:RELATION DÉBIT RÉEL VS TONNAGE JOURNALIER (RÉFÉRENCE EN VENTILATION + MINES QUÉBÉCOISES) ... 78
GRAPHIQUE 29:RÉSIDUS STUDENTISÉS-MODÈLE DE PRÉDICTION DU DÉBIT PAR LE TONNAGE JOURNALIER ... 79
GRAPHIQUE 30:DISTANCE DE COOK-MODÈLE DE PRÉDICTION DU DÉBIT PAR LE TONNAGE JOURNALIER ... 80
GRAPHIQUE 31:RÉSIDUS STUDENTISÉS-MODÈLE DE PRÉDICTION DU DÉBIT PAR LE TONNAGE JOURNALIER ET LA PUISSANCE INSTALLÉE ... 81
xiii GRAPHIQUE 32:DISTANCE DE COOK-MODÈLE DE PRÉDICTION DU DÉBIT PAR LE TONNAGE JOURNALIER ET LA PUISSANCE INSTALLÉE
... 81
LISTE DES FIGURES
FIGURE 1:SCHÉMA D’UNE PARTICULE D'ÉCHAPPEMENT DE MOTEUR DIESEL (METZ,2001) ... 12FIGURE 2:CHARGEUSE NAVETTE EN OPÉRATION ... 51
FIGURE 3:CAMION EN OPÉRATION ... 52
FIGURE 4:JUMBO DE FORAGE EN OPÉRATION ... 53
FIGURE 5:BOULONNEUSE EN OPÉRATION ... 53
FIGURE 6 :TRACTEUR ... 54
FIGURE 7:VÉHICULES MUNIS DE PLATEFORMES ÉLÉVATRICES (CISEAUX) ... 55
FIGURE 8:FOREUSE LONG TROU EN OPÉRATION ... 55
FIGURE 9:NIVELEUSE ... 56
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SYMBÔLES
• AMQ : Association minière du Québec.
• APEC : Acte de protection environnementale du Canada • CE : Carbone élémentaire.
• CO Hb : Carboxyhémoglobine • CT : Carbone Total.
• EN : Échantillon non conforme.
• EPA : Environmental Protection Agency
• HAP : Hydrocarbures aromatiques polycycliques. • HP : Heures planifiées.
• Hr : Heures réelles.
• IC : Nombre d’intervalle dont la durée est à la fois inférieure à 6 mois et 300 heures motrices. • ICCPCR : Indice de conformité à la réglementation sur la concentration maximale permise de
poussières combustibles respirables.
• ICCCOCV : Indice de conformité à la réglementation sur la concentration maximale permise de monoxyde de carbone dans le circuit de ventilation.
• ICCCOE : Indice de conformité à la réglementation sur la concentration maximale permise de monoxyde de carbone à l’échappement des équipements motorisés.
• ICFCOCV : Indice de conformité à la réglementation sur la fréquence d’échantillonnage de monoxyde de carbone dans le circuit de ventilation.
• ICFCOE : Indice de conformité à la réglementation sur la fréquence d’échantillonnage de monoxyde de carbone à l’échappement des équipements motorisés.
• IT : Nombre d’intervalle total entre la dernière mesure du CO à l’échappement d’un équipement et la mesure précédente.
• MPD : Matière particulaire diesel.
xvi
• NSE : Nombre de semaines où au moins une mesure de concentration de CO dans le circuit de ventilation est prise.
• NST : Nombre total de semaines durant la période étudiée. • OC : Carbone organique.
• PCR : Poussière combustible respirable. • Pi : Puissance installée.
• Pi/T : Puissance installée par tonne. • Pu : Puissance utilisée.
• Pu/T : Puissance utilisée par tonne. • QA : Débit d’air ajusté.
• QE : Débit d’air exigé.
• QEE/T: Débit d’air exigé par tonne de tout-venant pour l’ensemble de la flotte.
• QEhal/T: Débit d’air exigé par tonne de tout-venant pour les équipements de halage et
chargement.
• QEP&D/T: Débit d’air exigé par tonne de tout-venant pour équipement de production et
développement.
• QR : Débit d’air réel
• RSSTM - Règlement québécois sur la santé et la sécurité du travail dans les mines [c. S-2.1, r.14].
• SOREDEM : Société de recherche et développement minier v • TA : Tonnage annuel hissé en surface.
• TJ : Tonnage journalier hissé en surface. • T/Pi : Tonnes par kW installé.
• T/Pu : Tonnes par kW utilisé. • TU : Taux d’utilisation estimé. • TUR : Taux d’utilisation réel.
xvii
• VECD : Valeur d’exposition de courte durée. • VEMP : Valeur d’exposition moyenne pondérée.
xix
Glossaire
• Acte de protection environnementale du Canada (APEC) : donne le pouvoir législatif à
Environnement Canada de réglementer les émissions provenant des moteurs autres que ceux utilisés dans les avions, les locomotives et les navires commerciaux.
• Carbone élémentaire (CE) :est un composé chimique résultant de la combustion incomplète de combustibles fossiles (essence, gazole, fioul, kérosène, charbon). Il est présent sous la forme de microcristaux de graphite.
• Carbone organique (OC) : sont constituées par l’ensemble des molécules organiques absorbées sur le carbone élémentaire.
• Carbone Total (CT) : est un ensemble de composés chimiques résultant de la combustion incomplète de combustibles fossiles. Il est la somme de carbone élémentaire et de carbone organique résultant de la réaction de combustion des moteurs.
• Carboxyhémoglobine (CO Hb) : composé formé suite au contact du monoxyde de carbone et
de l’hémoglobine du sang.
• Débit d’air ajusté (QA) : somme du produit du débit exigé par la réglementation (RSSTM) et du taux d’utilisation réel.
• Débit d’air exigé par tonne de tout-venant pour l’ensemble de la flotte (QEE/T) : débit d’air exigé par la réglementation dû à l’utilisation de l’ensemble des équipements pour une tonne de tout-venant hissée.
• Débit d’air exigé par tonne de tout-venant pour équipement de production et développement (QEP&D/T) : débit d’air exigé par la réglementation dû à l’utilisation des équipements de
production et développement pour une tonne de tout-venant hissée.
• Débit d’air exigé par tonne de tout-venant pour les équipements de halage et chargement (QEhal/T) : le débit d’air exigé par la réglementation dû à l’utilisation des équipements de
halage et chargement par une tonne de tout-venant hissée.
• Débit d’air exigé (QE) : somme du produit du débit recommandé par la réglementation en tenant compte du taux d’utilisation estimé.
• Débit réel (QR) : débit total d’air entrant dans la mine, autrement dit la somme du débit fourni par les ventilateurs principaux.
• Échantillon non conforme (EN) : Le nombre d’échantillons non conforme est le nombre d’échantillons dont la concentration est supérieure à la valeur maximale permise par la réglementation.
• Échantillon total (ET) : Le nombre total d’échantillons est l’ensemble des mesures d’un contaminant prélevé par la mine pendant une période donnée.
xx
• EPA : Environmental Protection Agency : agence de réglementation environnementale des États-Unis.
• Indice de conformité à la réglementation sur la concentration maximale permise de poussières combustibles respirables (ICCPCR).
• Indice de conformité à la réglementation sur la concentration maximale permise de monoxyde de carbone dans le circuit de ventilation (ICCCOCV).
• Indice de conformité à la réglementation sur la concentration maximale permise de monoxyde de carbone à l’échappement des équipements motorisés (ICCCOE).
• Indice de conformité à la réglementation sur la fréquence d’échantillonnage de monoxyde de carbone dans le circuit de ventilation (ICFCOCV).
• Indice de conformité à la réglementation sur la fréquence d’échantillonnage de monoxyde de carbone à l’échappement des équipements motorisés (ICFCOE).
• Indice de particules (IP) : quantité d’air frais requise pour réduire les émissions des MPD d’un moteur à une concentration de 1 mg/m3.
• Heures planifiées (kW) : heures motrices d’opération planifiées par la mine.
• Heures réelles (Hr) : heures motrices relevées des registres de concentration de CO à l’échappement à moins que les heures motrices ne soient calculées par la mine (très rare). • Hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) : sont une sous-famille des hydrocarbures
aromatiques, c'est-à-dire des molécules constituées d’atomes de carbone et d’hydrogène mais dont la structure comprend au moins deux cycles aromatiques condensés. Ce sont des composés présents dans tous les milieux environnementaux et qui montrent une forte toxicité. D’ailleurs, c’est une des raisons qui a conduit à leur ajout dans la liste des polluants prioritaires par EPA, dès 1976. Aujourd’hui, ils font également partie des listes de l’OMS (Organisation mondiale de la santé) et de la communauté européenne.
• Matière particulaire diesel (MPD) : c’est l’ensemble de particules carbonées produites par la réaction des moteurs à combustion interne. Ils sont composés de particules de carbone et d’aérosols dont certains sont très toxiques et susceptibles ou connus êtres cancérigènes. • MSHA : Mine Safety and Health Administration est une agence du Ministère du travail des
États-Unis qui applique les dispositions de la loi fédérale sur la santé de 1977 (Loi sur les mines) et de faire respecter les normes de santé et de sécurité obligatoire dans le but d'éliminer les accidents mortels, de réduire la fréquence et la gravité des accidents non mortels, de minimiser les risques pour la santé, et de favoriser les conditions de santé dans les mines pour une meilleure sécurité.
• Nombre de semaines où au moins une mesure de concentration de CO dans le circuit de ventilation est prise (NSE).
xxi
• Nombre d’intervalle dont la durée est à la fois inférieure à 6 mois et 300 heures motrices (IC).
• Nombre d’intervalle total entre la dernière mesure du CO à l’échappement d’un équipement et la mesure d’avant (IT) : Il est calculé en jours et en heures motrices.
• Nombre total de semaines durant la période étudiée (NST).
• Poussière combustible respirable (PCR) : est un indice d’estimation de MPD. Elles sont mesurées par la méthode gravimétrique qui consiste à prélever un échantillon d’air de l’environnement minier, de le peser et de le brûler. Ensuite, la poussière résiduelle est pesée et la différence de poids constitue la quantité de PCR.
• Puissance installée (Pi) : puissance nominale totale des équipements de la mine.
• Puissance utilisée (Pu) : puissance nominale totale des équipements de la mine pondérée par le taux d’utilisation estimé.
• Puissance installée par tonne (Pi/T) : puissance nominale totale des équipements mobiles installée par le tonnage journalier hissé en surface.
• Puissance utilisée par tonne (Pu/T) : puissance nominale totale des équipements mobiles utilisée par le tonnage journalier hissé en surface.
• RSSTM - Règlement québécois sur la santé et la sécurité du travail dans les mines [c. S-2.1, r.14].
• SOREDEM : Société de recherche et développement minier - filiale de l’AMQ responsable
de la recherche et développement.
• Taux d’utilisation estimé (TU) : taux de fonctionnement de l’équipement selon la mine. Il est déterminé arbitrairement selon l’expérience des opérateurs.
• Taux d’utilisation réelle (TUR) : rapport entre les heures motrices réelles opérées par l’équipement sur le nombre d’heures travaillées dans la mine pour une période donnée. • Tonnage journalier hissé en surface (TJ) - comprend minerai et stérile.
• Tonnage annuel hissé en surface (TA) - comprend minerai et stérile.
• Tonnes par kW installé (T/Pi) : tonnage journalier hissé par unité de puissance nominale totale des équipements mobiles installés.
• Tonnes par kW utilisé (T/Pu) : tonnage journalier hissé par unité de puissance nominale totale des équipements mobiles utilisés sous terre.
xxii
• Valeur d’exposition de courte durée(VECD) : est la concentration moyenne, pondérée sur 15 minutes, pour une exposition à une substance chimique présente dans l’air au niveau de la zone respiratoire du travailleur.
• Valeur d’exposition moyenne pondérée (VEMP) : est la concentration moyenne pondérée pour une période de 8 heures par jour, sur la base d‘une semaine de 40 heures, d’une substance chimique présente dans l’air au niveau de la zone respiratoire.
xxiii
Ce mémoire est dédié à : Rose Mbiya, Leo, Maurice, Evans, Rose, Samy, Anthony, Megan, Jean, Nathan et Mafuta le grand. Je vous porte tous à cœur.
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Conversion
1 PCR ≈ 1,1 MPD1 1 PCR≈ 0,7-0,83 CT1 1 CT≈ 0,8 MPD2 1 CT ≈ 1,3 CE3 1 kW= 1,33 hp 1 m3/s=2118,6 pcmLes relations présentées ci-dessus représentent le rapport moyen entre différents indices d’estimation des MPD obtenue à la suite des relevés réalisés dans plusieurs mines nord-américaines
1 Source (Roberge, et al., 2006)
2 Source (Noll, et al., 2007) 3 Source (Osei-Boakye, et al., 2008)
1
.1
Introduction
1.1 Mise en contexte
Depuis les années 1980, pratiquement toutes les mines souterraines utilisent des équipements mus par un moteur à combustion interne. Même les mines peu mécanisées, où le forage est effectué à l’aide de foreuses pneumatiques opérées manuellement, possèdent au moins quelques équipements diesel pour exécuter des tâches diverses. Par leur productivité et leur flexibilité en opération, les équipements diesel ont permis aux opérateurs miniers de minimiser les coûts de production et d’accroître les réserves de minerai. Toutes ces raisons ont aidé à une large adoption et une grande expansion des équipements mus au diesel dans l’exploitation minière.
Toutefois, malgré les avantages que les équipements mus au diesel apportent à l'industrie minière, notamment au niveau du rendement et de la productivité, la mécanisation des mines a engendré de nouvelles problématiques en ce qui a trait à la quantité d'air à envoyer sous terre et sa qualité. La réaction de combustion des moteurs diesel est le plus souvent incomplète. Cela peut être dû à une injection excessive de carburant ou à une quantité insuffisante d’air disponible pour la combustion. Cette combustion incomplète a pour conséquence la production de plusieurs gaz et particules indésirables à l’échappement, dont le monoxyde de carbone (CO), le dioxyde de carbone (CO2), le sulfure d’hydrogène (H2S), les oxydes d’azote (NOx), le dioxyde de soufre (SO2), l’ammoniac (NH3), et surtout les matières particulaires diesel (MPD). Alors que les produits de la réaction complète devraient être composés uniquement du dioxyde de carbone (CO2), de la vapeur d’eau (H2O) et du dioxyde d’azote (NO2). Les contaminants produits par la réaction des moteurs à combustion interne sont l’objet d’un intérêt accru de la part de l’industrie minière et des organismes de règlementation compte tenu des risques potentiels sur la santé des travailleurs miniers.
Le Mine Safety and Health Administration (MSHA) définit les MPD comme « tout matériel recueilli sur une matière filtrante déterminée, après dilution des gaz d'échappement avec de l'air frais filtré à une température de 52 °C, tel que mesuré à un point immédiatement en amont du filtre primaire » (Schnakenberg, et al., 2002). La composition spécifique de l’échappement des moteurs diesel varie suivant plusieurs impondérables. La taille et la distribution des particules varient selon le type de carburant et les impuretés contenues, l’âge du moteur, le design du moteur, la maintenance, le
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contrôle du rapport combustible-air, le travail effectué, l’opérateur et l’environnement de travail (humidité et autre).
Par ailleurs, les moteurs à combustion interne ont un rendement maximum de seulement 40 %. Une bonne partie de l’énergie contenue dans le carburant est perdue dans l’air minier sous forme de chaleur (gaz d’échappement à une température élevée et parties chaudes du moteur). Cela contribue à l’augmentation de la température de l’air ambiant. D’autre part, une certaine quantité d’air doit être envoyée sous terre pour diluer les gaz d’échappement afin de respecter les concentrations limites permises par la réglementation sur la ventilation des mines et pour permettre la réaction de combustion. Sachant que le débit d’air requis pour ventiler une mine est proportionnel au cube de la puissance des ventilateurs, une augmentation du débit induit une hausse exponentielle de la consommation électrique des ventilateurs, donc du coût de ventilation et de chauffage de ce volume d’air.
Ce constat vient renforcer l’importance d’évaluer l’impact de l’utilisation des moteurs diesel dans les mines souterraines sur les besoins en ventilation et sur la qualité de l’air dans les mines québécoises. Ainsi, l’Association minière du Québec (AMQ), par l’entremise de la Société de recherche et développement minier (SOREDEM), et en partenariat avec CanmetMINES, a mandaté le département de génie des mines, de la métallurgie et des matériaux de l’Université Laval pour mener un projet de recherche sur le sujet.
1.2 Objectifs du projet
L’objectif principal de ce projet est de dresser le portrait de l’utilisation des équipements mus par un moteur à combustion interne dans les mines souterraines du Québec et d’établir leur impact sur la qualité de l’air. Plus précisément, il s’agit d’évaluer les débits d’air envoyé sous terre et la concentration de certains polluants dans l’air ainsi que de déterminer la conformité des mines participantes sur le respect de la réglementation des concentrations maximales des contaminants dans l’air et la surveillance de ces contaminants. Les objectifs spécifiques du projet sont les suivants :
obtenir un portrait précis et à jour de l’utilisation des équipements diesel dans les mines souterraines métallifères opérées en Abitibi et ailleurs au Québec;
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estimer leur impact sur la ventilation requise et l’émission des produits d’échappement (CO, MPD);
calculer les indices de conformité des mines sur le respect des délais d’échantillonnage de CO dans les endroits de travail et à l’échappement des équipements motorisés;
calculer les indices de conformité des mines sur les concentrations limites de CO (à l’échappement et aux endroits de travail) et de poussières combustibles respirables (PCR); formuler des indices faisant lien entre les puissances des flottes d’équipements avec la taille
de production et les besoins en ventilation;
Il faut souligner qu’il s’agit d’une recherche de type documentaire. Le deuxième chapitre de ce mémoire présente l’impact de l’utilisation des équipements diesel sur la qualité de l’air des mines. Entre autres, les effets de l’émission des gaz nocifs (CO, CO2, MPD) et de l’augmentation de la température ambiante sur la santé et la sécurité des travailleurs miniers y sont décrits. Le troisième chapitre détaille les indices utilisés pour quantifier la concentration des MPD dans les endroits de travail, ainsi que les valeurs d’exposition limites permises au Québec par rapport à d’autres juridictions dans le monde. La campagne de collecte des données, les types de données recueillies et l’accessibilité à ces données sont présentés dans le quatrième chapitre. La présentation, l’analyse et la discussion des résultats sont faites au chapitre cinq, tandis que les conclusions sont présentées au chapitre six.
2 IMPACT DE L’UTILISATION DES ÉQUIPEMENTS MUS AU
DIESEL SUR LA QUALITÉ DE L’AIR MINIER
Dans les paragraphes suivants sont abordés les effets des émissions provenant des gaz d’échappement des moteurs diesel et de l’augmentation de la température.
Lors d’une combustion complète, le réactif réagit complètement avec le comburant pour former des produits suffisamment stables qui ne seront plus altérés par la réaction de combustion. Dans le cas des hydrocarbures, les produits de la réaction devraient être uniquement du dioxyde de carbone (CO2), de la vapeur d’eau (H2O) et du dioxyde d’azote (NO2.). Or, la réaction de combustion des moteurs diesel est incomplète et très inefficace. En effet, seulement 40 % de l’énergie calorifique du
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carburant est transformée en énergie mécanique utile dans le meilleur des cas alors que le reste de l’énergie est perdue sous forme de chaleur, soit à l’échappement ou soit par le système de refroidissement du moteur. Une combustion incomplète produit différents gaz et particules en plus des gaz ordinairement produits par une réaction complète. La composition et la teneur de ces gaz dépendent de la quantité et de la qualité de combustible et d’oxygène disponible pour la réaction ainsi que du temps et de la température de la réaction. De ce fait, la proportion des produits d’une combustion incomplète est difficilement prévisible.
Pour ce qui est de la combustion du diesel, les gaz et les particules les plus souvent retrouvés à l’échappement sont : le monoxyde de carbone (CO), le dioxyde de carbone (CO2), les oxydes d’azote (NOX), le dioxyde de soufre (SO2) et les matières particulaires diesel (MPD) (Metz, 2001). Le tableau 1 illustre les proportions de ces gaz rencontrés dans l’atmosphère ainsi que les valeurs d’exposition maximale moyenne pondérée (VEMP) et les valeurs d’exposition maximale de courte durée (VECD). Elle ne doit pas être dépassée durant une journée de travail, même si la VEMP est respectée.
5 Tableau 1: Concentration normale dans l’air et valeur d’exposition maximale permise au Québec des produits d'échappement d'un moteur à combustion interne
GAZ Concentration normale VEMP VECD Sources
Monoxyde de carbone (CO) traces 35 ppm 200 ppm sautage, diesel, feux, charbon et toute combustion incomplète
Dioxyde de carbone (CO2) 0,03 % 0,50 % 3 % respiration, moteur à combustion interne, toute oxydation incomplète
Dioxyde d'azote (NO2) aucune 3 ppm
Monoxyde d'azote(NO) aucune 25 ppm
diesel, sautages,
soudure électrique et à l'acétylène
N2O aucune 50 ppm
Oxyde de soufre (SO2) aucune 2 ppm 5 ppm sautage, appareil de chauffage, moteur à combustion interne, réduction de minerais sulfurés
HxCyOz aucune 2 ppm 6 mg/m3 distillation du charbon lors de feux, moteur diesel
2.1 Monoxyde de carbone (CO)
Le monoxyde de carbone est un produit de la combustion incomplète des moteurs diesel. Il est très toxique, il n’a pas d’odeur ni de goût ni de couleur. Par conséquent, il est non détectable par les organes de sens, ce qui en fait le gaz le plus dangereux dans l’environnement minier. Sa densité est proche de celle de l’air, il se mélange avec ce dernier à moins d’être chauffé par le feu. Dans ce cas, il se retrouve au toit des galeries mélangé à la fumée. Il est très inflammable et possède une grande plage d’inflammabilité qui va de 12,5 % à 74,2 % dans l’air. L’oxygène de l’air passe par les murs des alvéoles pulmonaires avant de se fixer dans le sang grâce aux hémoglobines (globules rouges) pour former un composé peu stable appelé oxyhémoglobine. Cependant, le monoxyde de carbone possède une affinité avec les hémoglobines de près de 300 fois supérieure à celle de l’oxygène. Le CO s’introduit dans le sang à travers le poumon pour former la carboxyhémoglobine (CO Hb) qui est
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un composé beaucoup plus stable que l'oxyhémoglobine. En altitude, les effets du monoxyde de carbone sont plus accentués du fait que sa pression partielle est plus élevée que celle de l’oxygène. À 4500 m d’altitude, 2 % de saturation du sang en carboxyhémoglobine a le même effet que 20 % au niveau de la mer (Metz, 2001). Le tableau 2 présente les symptômes qui peuvent apparaître après une intoxication au monoxyde de carbone par rapport à la saturation du sang en carboxyhémoglobine.
Tableau 2: Réaction physiologique due au monoxyde de carbone en fonction de la saturation du sang en carboxyhémoglobine (McPherson, 1993)
Saturation du
sang en % CO Hb Symptômes
5-10 petite perte de concentration
10-20 sensation d'oppression à travers le front, légers maux de tête
20-30 mal de tête lancinant, une altération du jugement
30-40 maux de tête sévères, désorientation, nausée, vision trouble, vertiges, possible évanouissement
40-60 plus grande probabilité d'évanouissement, convulsion, augmentation du pouls et du rythme respiratoire
60-70 coma, possible mortalité
70-80 fatal
Le graphique 1 donne un aperçu beaucoup plus pratique de la réaction physiologique due à l’intoxication au monoxyde de carbone et prend en compte le niveau d’activité physique et le temps d’exposition. Le graphique présente la variation du niveau de saturation du sang en hémoglobine en ordonnée par rapport aux heures d’exposition pour chacun des niveaux d’activité physique en abscisse.
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Graphique 1 : Effet physiologique du monoxyde de carbone (développé de Strang and Wood, 1985) (McPherson, M. J., 1993) Le taux de saturation du sang en carboxyhémoglobine est plus rapide, lorsque le travailleur effectue un travail lourd comparativement à un travailleur en repos. La courbe montre le pourcentage de carboxyhémoglobine dans le sang par rapport à la concentration de monoxyde de carbone en ppm à laquelle le travail est exposé.
2.2 Dioxyde de carbone (CO2)
Le dioxyde de carbone est 50 fois plus lourd que l’air. De ce fait, il s’accumule sur le plancher des galeries. Il se solubilise vingt fois plus rapidement dans le sang par rapport à l’oxygène de l’air et sa diffusion est très rapide. Le tableau 3 illustre les effets physiologiques du dioxyde de carbone.
Tableau 3: Réaction physiologique due au dioxyde de carbone (McPherson, M. J., 1993)
% CO2 dans l'air Effets
0,037- 0,038 aucun, concentration normale dans l'air
0,5 ventilation du poumon augmente de 5 %
2 ventilation du poumon augmente de 50 %
3 ventilation du poumon double, essoufflement lors de l'effort
5 -10 essoufflement violent induisant la fatigue par exténuation, maux de tête
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2.3 Oxydes d’azote (NOx)
Les oxydes d’azote sont les gaz d’échappement les plus toxiques produits par la combustion du diesel. Ils sont 7 à 10 fois plus toxiques que le CO. Le dioxyde d’azote (NO2) est 5 fois plus toxique que le monoxyde d’azote (NO). Le NO2 est formé dès que l’air est soumis à de hautes températures et à de hautes pressions. Le monoxyde d’azote est formé en premier, mais il est très instable. En présence d’oxygène, il se transforme en NO2, soit à l’échappement ou dans l’atmosphère de la mine. Le NO2 a un effet corrosif sur les tissus pulmonaires. Il a une affinité avec l’hémoglobine du sang 300 000 fois supérieure à celle de l’oxygène. Il se combine à l’hémoglobine pour former de la méthémoglobine qui est un composé très stable. Le tableau 4 illustre les effets physiologiques dus à l’intoxication au dioxyde d’azote.
Tableau 4: Réaction physiologique due à l’intoxication au dioxyde d’azote (McPherson, M. J., 1993)
Concentration
NO2 en ppm Effets
40 peut être détecté à l'odeur
60 irritations mineures à la gorge
100 la toux peut commencer
150 malaise sévère, peut provoquer la pneumonie
200 pourrait occasionner la mort 2.4 Dioxyde de soufre (SO2)
Le dioxyde de soufre est un gaz incolore, suffocant et irritant avec une très forte odeur âcre. Le SO2 et la vapeur d’eau formée lors de la combustion dans le moteur peuvent produire de l’acide sulfurique. Le SO2 est très toxique, mais contrairement au monoxyde de carbone, il peut être détecté à de très faibles concentrations en raison de son goût acide et de très fortes sensations de brûlure qu’il cause aux yeux. Les carburants ayant une forte teneur en soufre produisent plus de SO2. Le tableau 5 illustre les effets physiologiques du dioxyde de soufre.
9 Tableau 5: Réaction physiologique due à l’intoxication au dioxyde de soufre (McPherson, M. J., 1993)
Concentration
SO2 en ppm Effets
1 Aucun effet
3 détectable à l'odeur
20 irritations des yeux et du système respiratoire
50 sensations de brulure sévères aux yeux, au nez et à la gorge
400 danger de mort
2.5 Effet de la chaleur sur la productivité
Travailler dans un environnement trop chaud pendant une longue période de temps peut occasionner un manque d’intérêt à la tâche, de la difficulté à rester alerte, une perte de coordination et de dextérité. Cela peut augmenter le risque d’accident pour les travailleurs. Mais plus encore, la chaleur cause des problèmes de santé aux personnes qui travaillent pendant de longues périodes de temps dans un environnement trop chaud. La chaleur n’étant pas un des points de recherche dans cette étude, son effet sur la productivité des travailleurs sera abordé sans trop s’y attarder. En considérant les effets psychologiques et physiologiques d’un environnement de travail chaud, il est probable que la réduction du pouvoir de refroidissement de l’air ambiant en deçà de 300 W/m2 entraîne une diminution de l’efficacité des travailleurs. Il y aura détérioration du taux et de la qualité des performances individuelles au travail. Un environnement excessivement chaud peut conduire à un déficit d’attention des travailleurs et augmenter les risques d’accident (McPherson, M. J., 1993).Le graphique 2, tiré de McPherson, résume les résultats de suivi de l’efficacité de la climatisation d’un front de travail sur les performances des travailleurs.
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Graphique 2 : Influence de la température effective sur les performances des travailleurs (McPherson, M. J., 1993)
Le travail consistait à pelleter de la roche fragmentée dans un camion à minerais. La température et la vitesse de l’air quasi saturé étaient variées pour obtenir une plage de température effective. Les performances des travailleurs à la température effective de 22 °C étaient prises pour représenter le maximum de rendement du travailleur, soit 100 %. Sur le graphique, il est notable que l’efficacité commence à décroître à une température de 27 °C et décline rapidement quand la température effective dépasse 30 °C. Ce dernier correspond approximativement à une puissance de refroidissement de 270 W/m2 pour un personnel non habillé (McPherson, M. J., 1993).
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Matières particulaires diesel (MPD)
La fumée des moteurs diesel est une conséquence de la combustion incomplète. Elle peut être due à une combinaison de plusieurs causes dont l’excès de carburant ou l’injection excessive de carburant, ou l’effet de fournir une quantité insuffisante d’air de combustion ou les deux. En général, si la fumée est visible, cela indique qu’il n‘y a pas assez d’oxygène pour le processus de combustion.
L’échappement des moteurs diesel est composé d’une phase gazeuse, d’une phase liquide et d’une phase solide. La phase gazeuse comprend des composés organiques et inorganiques. De plus, la vapeur peut contenir des hydrocarbures C1-C18, les hydrocarbures oxygénés et nitratés et les hydrocarbures polycycliques aromatiques (HAP). La phase liquide contient des hydrocarbures de structures moléculaires variées, dont les HAP.
La phase solide est essentiellement composée du carbone élémentaire qui provient principalement du combustible non brûlé. Ce sont des particules de carbone de 15 à 40 nanomètres de diamètre équivalent. Elles sont toutes de dimension respirable, donc moins de dix micromètres. Elles ont une très grande surface spécifique due à leurs petites dimensions. Grâce à celles-ci, une grande adsorption des hydrocarbures gazeux et liquides peut se produire. En outre, les oxydes et sulfates métalliques peuvent se retrouver dans l’échappement des moteurs à combustion interne. Le métal se retrouve comme impureté dans le combustible ou comme additif aux combustibles pour agir comme catalyseur à la réaction de combustion.
La composition spécifique de l’échappement des moteurs diesel varie suivant plusieurs impondérables. La taille et la distribution des particules varient selon le type de carburant et les impuretés contenues, l’âge du moteur, le design du moteur, la maintenance, le contrôle du rapport carburant-air, le travail effectué, l’opérateur, l’environnement de travail (humidité et autres) (Metz, 2001). Les MPD sont composés de particules de carbone et d’aérosols, dont certains sont très toxiques et susceptibles ou connus être cancérigènes. L’U.S. Clean Air Act identifie les plus significatifs comme étant le benzène 1 et 3, le butadiène, l’acétaldéhyde et le formaldéhyde (Metz, 2001). La figure 1 illustre une représentation schématique des particules d’échappement d’un moteur diesel.
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Figure 1: Schéma d’une particule d'échappement de moteur diesel (Metz, 2001)
Tout d’abord, le problème avec la matière particulaire diesel est que la concentration limite au-delà de laquelle le sujet exposé peut développer des problèmes de santé n’est pas connue. Aux États-Unis et en Australie, la concentration limite indiquée par la réglementation est celle du carbone élémentaire qui constitue de 50 à 80 % en masse de la matière particulaire diesel.
Les particules de diamètre équivalent supérieur à 10 µm ou moins de 2,5 µm sont les plus dangereuses pour la santé humaine. Plus de 90 % de tous les MPD ont une taille inférieure à un micron avec la grande fraction centrée autour de 0,3 µm de diamètre équivalent. Les plus petites particules pénètrent profondément dans les zones les plus sensibles du poumon. La médecine a prouvé que l’exposition aux MPD peut conduire à de sérieux problèmes de santé, comme le cancer, les maladies du cœur et l’augmentation de la susceptibilité aux troubles respiratoires, tels la pneumonie, la bronchite et l’asthme (Anyon, 2008).
Le programme d’évaluation des émissions diesel (PEED) formé en 1997, dont le mandat fut complété en milieu d’année 2006, avait pour mission d’évaluer l’habileté des technologies disponibles à réduire significativement les émissions de MPD avec une grande efficacité et peu de maintenance sur une longue période de temps (Stachulak, 2008). Les résultats de cette étude montrent qu’il est impossible de réduire les concentrations de MPD en dessous de 0,005 mg/m3 avec la maintenance uniquement.
13 Les vieux moteurs diesel, particulièrement ceux de la machinerie lourde, sont les principaux générateurs de MPD. Les nouveaux moteurs, ceux qui sont électroniquement contrôlés, sont meilleurs, mais plusieurs de ces moteurs ne permettent pas d’atteindre le niveau de concentration de MPD proposé de 5 µg/m3.
La maintenance est un élément essentiel à la performance des équipements mus au diesel lorsqu’il y a limitation des émissions nuisibles. Toutefois, elle ne peut pas permettre d’atteindre de très bas niveaux de concentration par elle-même.
Les carburants alternatifs, tels les biodiesels, peuvent aider à diminuer les émissions de MPD, mais ne permettront pas d’atteindre plus de 30 à 50 % de réduction des émissions.
La meilleure technologie pour réduire les émissions de MPD est le système de filtre pour les particules diesel. Par contre, le facteur humain dans leur utilisation réduit le rendement des filtres (Stachulak, 2008).
Bref, les MPD restent un sujet de préoccupation de premier ordre pour les acteurs de l’industrie minière. Dans les prochains paragraphes seront présentés les indices utilisés pour estimer la quantité de MPD, les méthodes de mesures et valeur d’exposition limite au Québec et ailleurs dans le monde.
3.1 Indices d’estimation des matières particulaire diesel
Puisque la composition des MPD est très variée, il est techniquement impossible de mesurer directement la quantité de MPD dans l’atmosphère. En pratique, des indicateurs sont utilisés pour estimer la quantité totale de MPD dans un milieu donné. Les indices utilisés en milieu industriel pour quantifier les MPD sont principalement les poussières combustibles respirables (PCR), le carbone total (CT) et le carbone élémentaire (CE).
Le premier indice d’estimation de la quantité des MPD est les poussières combustibles respirables. Ces derniers sont mesurés par la méthode gravimétrique qui consiste à prélever un échantillon d’air de l’environnement minier, de le peser et de le brûler. Ensuite, la poussière résiduelle est pesée et la différence de poids constitue la quantité de PCR contenue dans l’échantillon. La méthode gravimétrique, qui mesure la quantité de poussières combustibles respirables, est inadéquate pour les milieux de travail qui ont une concentration modérément basse parce que très peu de particules sont collectées. Ceci a pour conséquence d’augmenter les erreurs de pesée de façon considérable. La méthode gravimétrique comporte deux limites : elle manque de spécificité et de sensibilité. Le manque de spécificité est dû au fait qu’elle mesure d’autres poussières combustibles présentes dans
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le milieu de travail (huiles, lubrifiants, etc.). La plage de détection de la méthode gravimétrique est plutôt large et s’étend de 40 µg/m3 à 3000 µg/m3. Par contre, elle offre l’avantage d’être relativement simple à réaliser d’un point de vue technique et d’être moins coûteuse que les autres types de mesure des MPD.
Le carbone total (CT) est le deuxième indice d’estimation des MPD. Il est la somme du carbone élémentaire et du carbone organique (OC). Il est mesuré par la méthode analytique thermo-optique. L’instrument mesure séparément le carbone élémentaire et le carbone organique. Cette méthode a l’avantage d’être plus sensible, spécifique et reproductible. Le CT représente 80 % de MPD (Noll, et al., 2007). Cependant, le OC peut être surévalué à cause des possibles interférences dues aux autres composés organiques présents dans l'air. Cela implique qu’une partie de CT mesurée ne provient pas des MPD. «En 2001, MSHA a promulgué une règle dont la conformité était basée sur l’estimation des MPD à partir de CT. Néanmoins, les représentants de l’industrie minière ont contesté la règle, affirmant que les sources d'OC d’origine autre que les MPD dans la mine, comme la poussière de minerai carbonée, la fumée de tabac et le brouillard d'huile de forage, pourraient faussement élever le CT au-delà de la concentration de CT attribuables aux MPD» (Breslin J, 2010). MSHA et les représentants de l’industrie minière ont développé un protocole pour enquêter sur les possibles sources de OC dans les mines souterraines métallifères et non métallifères pour évaluer l’impact de ces interférences sur la concentration de CT mesurée. L’étude a démontré que la fumée de cigarette et le brouillard d'huile de forage pouvaient être des sources non négligeables de carbone organique. Cette étude a aussi conclu que le OC de sources différentes des MPD, tels la fumée de cigarette et le brouillard d'huile de forage, ne peut pas être évité et qu’aucun facteur de correction approprié ne peut être appliqué pour prendre en compte ces sources de OC (Breslin J, 2010).
Le dernier indice utilisé pour estimer la quantité de MPD est le carbone élémentaire. Contrairement au CT, dont la portion d’OC est sujette à plusieurs sources de contaminations, le carbone élémentaire dans les mines souterraines ne provient que de la portion de carburant non brûlé. Comme le rapport entre CE et CT est plus ou moins constant dans une mine, il est possible de déterminer avec plus de précision la quantité de CT provenant des MPD à partir de la proportion de CE mesurée.
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En somme, l’indice PCR est utilisé pour la facilité qu’offrent l’analyse gravimétrique et son coût alors que l’indice CT est beaucoup plus sensible à basses concentrations et plus spécifique. Néanmoins, la proportion de OC mesurée est sujette à des interférences provenant d’autres sources, tels la fumée de cigarette et les brouillards d’huiles de foreuse. Par conséquent, le CE est une mesure plus spécifique de l’exposition aux MPD.
3.2 Méthodes de mesure des indices d’estimation
Deux méthodes sont principalement utilisées pour analyser les échantillons d’air afin de mesurer les indices des MPD. La méthode gravimétrique est utilisée pour mesurer les PCR alors que la méthode analytique thermo-optique est utilisée pour mesurer le CT.
Le rapport d’étude « Comparaison de deux indices d’exposition à la matière particulaire diesel » (Roberge, et al., 2006) décrit la méthode gravimétrique de la façon suivante :
Cette méthode comporte des mesures gravimétriques effectuées respectivement avant et après une combustion. Elle consiste à exposer les matières particulaires prélevées sur un filtre à membrane d’argent à une température de 400 °C pour une période de 2 heures. Ce filtre a une porosité de 0,8 μm. L’argent dans celui-ci agit comme catalyseur, permettant à la matière particulaire de brûler à de plus faibles températures. La différence de masse sur le filtre avant et après incinération correspond au poids des matières particulaires ainsi consumées. Cette masse, en majorité à base de carbone, est l’estimation de la masse des MPD dans le milieu de travail où le prélèvement a été effectué. Le calcul de la concentration se fait à partir du poids obtenu et du volume calculé à l’aide du débit et de la durée du prélèvement.
La présence de certaines poussières minérales peut entraîner une sous-estimation de la quantité de particules générées par la combustion des moteurs au diesel. Ce problème risque, notamment, de survenir dans les mines possédant des gisements fortement sulfurés ou utilisant un carburant à forte teneur en soufre. De plus, le brouillard d'huile de forage, la fumée de cigarette et d'autres sources de carbone organique peuvent entraîner une surestimation de l'exposition à la MPD. Étant donné que cette méthode repose entièrement sur la pesée des particules, l’exactitude est inférieure à 10 % de la masse totale, telle que mesurée à partir d’échantillons de MPD purs produits sur banc d’essai en laboratoire. La précision analytique est de ± 0,04 mg ou 40 μg. La plage de mesure est 0,04 à 3,0 mg/m³ ou 40 à 3 000 μg/m3 pour un volume de prélèvement de 1 000 litres et une limite de détection d’environ 40 μg/m3.
La méthode d’analyse par thermo-optique sert à analyser un échantillon de poussières prélevé en milieu de travail pour estimer les MPD par la mesure du carbone élémentaire et organique contenu dans l’échantillon. Le rapport d’étude « Comparaison de deux indices d’exposition à la matière particulaire diesel » (Roberge, et al., 2006) décrit la méthode thermo-optique de la façon suivante :
La technique d'analyse par thermo-optique tel que prescrit par la méthode NIOSH 5040 s'avère plus complexe que celle de la méthode de la PCR (gravimétrie). La température et l'atmosphère de la cellule d'analyse sont suivies et contrôlées afin de mesurer séparément le CE et le OC. Le
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prélèvement est effectué sur un filtre à membrane de quartz de 37 mm de diamètre. Étant donné les dimensions réduites de la cellule d’analyse, une portion de la surface totale du filtre de prélèvement est utilisée pour analyse (1,5 cm2). Le dépôt sur le filtre encapsulé dans une cassette ayant un petit orifice d’entrée n’est pas toujours homogène, particulièrement pour les poussières minérales. La quantité de particules déposées diminue à partir du centre du filtre. Cependant pour des fins de contrôle de qualité relatif à l’uniformité du dépôt de MPD, un deuxième prélèvement du filtre est fait à intervalle régulier et les résultats de ces deux portions sont comparés.
Dans un premier temps, une atmosphère à base d’hélium (99,999 % d’hélium, grade 5) est injectée dans la cellule contenant la portion du filtre. Avec l’augmentation de la température, le OC est identifié à partir des émanations de dioxyde de carbone (CO2). Ces dernières sont transformées en méthane, puis mesurées. Par la suite, la température est abaissée et l’injection d’une atmosphère riche en oxygène est effectuée. Enfin, la température est augmentée à nouveau. Cette tranche de l’analyse permet de mesurer le CE. Les proportions exactes du CE et du OC sont déterminées à l'aide d'un faisceau laser utilisé pour mesurer la transmission de la lumière au travers du filtre et de l’échantillon. La mesure de l’intensité du faisceau laser est affectée par le phénomène de pyrolyse du carbone organique dans la première phase de l’analyse.
Enfin, comme pour la méthode de la PCR, la masse respective du CE et du OC, le débit et la durée du prélèvement servent à calculer la concentration de la MPD. La limite de détection pour la mesure du CE est d’environ 3,0 μg/m3 ou 2 μg/m3 pour un volume de prélèvement de 960 litres. Sa plage de concentrations est 6 à 630 μg/m3.
Les poids du OC et du CE sont corrigés en fonction des poids moyens respectifs des filtres témoins. Cette étape en est une de contrôle de qualité et vise à soustraire la portion du OC qui s’accumule invariablement sur les filtres avec le temps et toute contamination du CE qui ne serait pas reliée aux prélèvements. Tous les filtres utilisés sont d’abord exposés à une température de 800 ºC pendant 2 heures afin d’éliminer le OC et le CE. Par la suite, un groupe de filtres témoins accompagne les filtres qui serviront à l’intervention et subit le même traitement (transport et manipulation), sans faire l’objet de prélèvement. Toute trace de OC ou de CE décelée au niveau des filtres témoins (non exposés) servira de correction pour les filtres utilisés lors des prélèvements
3.3 Valeur d’exposition limite au Québec et ailleurs
L’industrie minière est la seule qui soit soumise à une valeur limite d’exposition aux MPD, en raison de l’utilisation intensive des équipements mus par moteur à combustion interne en milieu confiné et au niveau élevé de la concentration des MPD dans les mines souterraines. Selon les études médicales menées aux États-Unis par l’Environmental Protection Agency (EPA), les ouvriers des mines souterraines sont exposés à des niveaux de MPD 100 fois plus élevés que les gens habitant dans les centres urbains dits pollués et 10 fois plus élevés que les ouvriers les plus exposés dans les autres industries (par exemple les opérateurs de locomotives ferroviaires et opérateurs de gros camions). Le tableau 6 montre le niveau d’exposition aux MPD de certaines professions. Les mineurs dans les mines souterraines sont exposés à des concentrations de MPD 10 fois supérieures dans les mines qui n’utilisent pas de filtres à l’échappement des équipements mobiles comparativement à
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celles qui en utilisent, et 65 fois supérieures à celles des travailleurs les plus exposés dans d’autres industries.
Tableau 6: Niveau d’exposition type au MPD de certaines professions (Schnakenberg, et al., 2002)
Groupe professionnel Niveau d'exposition
µg/m3 Mineur, mine souterraine de charbon sans filtre à l'échappement1 900 -2100 Mineur, mine souterraine de charbon avec filtre jetable à l'échappement1 100 - 200 Mineur, mine souterraine de charbon avec filtre en treillis métallique à l'échappement1 1200 Mineur, mine souterraine métallifère/non métallifère sans filtre à l'échappement1 300 - 1600
Mineur, mine ciel ouvert 1 < 200
Caserne de pompier en milieu urbain2 100 - 480 Opérateurs de chariots élévateurs, les débardeurs, les cheminots2 20 - 100
Camionneurs2 4 - 6
1 Haney et al. [1997] 2 Diesel Net [1999b]
MSHA a établi, dans l’évaluation du risque supportant la règlementation de 2001, que les mineurs des mines souterraines métallifères et non métallifères sont exposés à de sérieux risques à la santé découlant des concentrations élevées de MPD. Ces effets sur la santé incluent une irritation sensorielle et des symptômes respiratoires, une mort prématurée d’origine cardiovasculaire, cardiopulmonaire ou respiratoire, et du cancer du poumon (Pomroy, et al., 2008).
Bien que MSHA pense qu’il y a suffisamment de données qui supportent l’hypothèse d’un risque excessif de développer un cancer de poumon dû à l’exposition aux MPD, MSHA reconnait qu’une relation dose-réponse pour ce risque excessif n’a pas encore était déterminée. Par conséquent, une limite d'exposition sécuritaire absolue ne peut pas être définie. De ce fait, MSHA a proposé une règlementation pour les opérations souterraines qui utilisent les équipements mus par moteur à combustion interne. Auparavant, une règle du pouce était d’envoyer de 0,0472 à 0,1258 m3/s/kW pour réduire le niveau de MPD à 0,5 mg/m3. Dans la plupart des mines, la ventilation seule ne suffit pas à rencontrer la limite proposée par MSHA de 160 µg/m3 (Pomroy, et al., 2008), d’où le besoin de recourir aux technologies de contrôle des MPD.
En Australie, les mines utilisent une mixture de régularisation, de lignes directrices et d’accords volontaires, avec comme cible commune de réaliser un niveau maximum de MPD respirable de
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0,1 mg/m3 de carbone élémentaire. Cette valeur est assez proche de la valeur limite de 0,16 mg/m3 de carbone total que MSHA comptait mettre en application en mai 2008 (Anyon, 2008)
En l’absence de toute valeur d’exposition limite pour les MPD en Afrique du Sud, la réglementation MSHA est actuellement utilisée comme point de repère pour le design en ventilation.
Dans les autres provinces du Canada, l’exposition aux matières particulaires diesels est estimée par l’indice PCR. La valeur limite d’exposition est de 1,5 mg/m3, soit près de 10 fois plus élevée que celle aux États-Unis sur laquelle beaucoup d’autres juridictions minières, telles que l’Australie et l’Afrique du Sud, se calquent. Au Québec, par contre, le règlement sur la santé et la sécurité des travailleurs dans les mines limite l’exposition moyenne pondérée sur un quart de travail de 8 heures à 0,6 mg/m3. Le tableau 7 montre les valeurs limites d’expositions aux MPD en vigueur dans certains pays et les valeurs limites proposées par l’American Conference of Governmental Industrial Hygienist (ACGHI). Aujourd’hui, les valeurs d'exposition limite de MPD acceptées sont basées sur la croyance qu’ils sont économiquement et techniquement faisables (Belle, 2008). Il est prouvé qu’il est technologiquement possible de maintenir la concentration des MPD en dessous de 90 µg/m3 (Schnakenberg, 2001).
Tableau 7: Valeur limite d’exposition aux MPD par pays et organisation (Schnakenberg, et al., 2002)
Pays et Organisation d'exposition Limites Remarque
mg/m3
U.S: MSHA mine souterraine métallifère/non métallifère [66 Fed.
Reg. 5706 (2001)] 19 juin 2002 0,4 carbone totale (CE+OC) calculé selon la méthode NIOSH 5040 U.S: MSHA mine souterraine métallifère/non métallifère [66 Fed.
Reg. 5706 (2001)] 19 janvier 2006 0,16 carbone totale (CE+OC) calculé selon la méthode NIOSH 5040 Allemagne: environnement de travail général 0,1 CE, coulométrique
Allemagne: mine souterraine métallifère/non métallifère et site
de construction 0,3 CE, coulométrique
Canada (Autres provinces) : mine souterraine métallifère/non
métallifère 1,5 PCR
Québec: règlement sur la santé et sécurité dans les mines du
Québec 0,6 PCR
Suisse 0,1 CE, coulométrique
proposées Limites
mg/m3
ACGIH [1995] 0,15 Particules < 1 µm en dimension
ACGIH [1998] 0,05 Particules de Carbone total < 1 µm en dimension ACGIH [2001] 0,02 (CE =40% de MPD) Particules de CE < 1 µm en dimension
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Le tableau 7 montre une grande différence dans les valeurs limites d’exposition aux MPD d’une juridiction à une autre. Rappelons que les limites d’expositions sont établies sur la base qu’elles sont techniquement et économiquement réalisables. Au Québec, notamment, la valeur limite d’exposition est près de 3 fois supérieure à celle en vigueur aux États-Unis. Si les mines arrivent généralement à respecter la limite de 0,6 mg/m3, la plupart des mines, dans les conditions actuelles d’opération, seraient en non-conformité si la valeur d’exposition limite devait passer à 0,16 mg/m3. En effet, selon les informations recueillies dans le cadre de ce projet, la moyenne d’exposition aux MPD des travailleurs des mines souterraines québécoises est généralement supérieure à 0,16 mg/m3, comme l’indique le graphique 3.
Graphique 3 : Exposition aux PCR des travailleurs miniers au Québec selon les données recueillies lors de cette étude
La valeur limite d’exposition aux MPD au Québec peut être réduite dans un horizon plus ou moins rapproché. Les développements dans le contrôle des émissions diesel dans les années 2000 indiquent que c’est une éventualité plausible. D’abord parce que l’industrie minière, dans d’autres régions du monde, est soumise à des valeurs d’expositions limites plus contraignantes, ce qui semble démontrer qu’il est techniquement et économiquement possible d’opérer tout en gardant la concentration des MPD bien en deçà des concentrations qu’on retrouve actuellement dans les mines du Québec. À l’heure actuelle, il est techniquement possible de maintenir la concentration des MPD en dessous de 90 µg/m3 (Schnakenberg, 2001). Ensuite, le cas de l’électricien des mines, monsieur Claude Fortin, mort d’un cancer du poumon en décembre 2009 ouvre la porte à une rigidification de
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 Technicien Construction Service Auxiliaire Développement Production Op. Charg. Nav. Op. Camion Fixe
PCR en mg/m3
Exposition aux PCR des travailleurs miniers au Québec
Moyenne mg/m3
Minimum
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la règlementation en matière d’exposition aux MPD (Daoust-Boisvert, 2013). En effet, suite à la décision de la cour supérieure d’imputer aux émanations de diesel la cause du cancer du poumon de monsieur Fortin, il est possible que de nouvelles mesures soient prises pour limiter au minimum l’exposition des travailleurs miniers aux MPD.
En définitive, les équipements mus au diesel sont une des principales sources de contaminants de l’air minier. Ceci est d’autant plus vrai dans les mines souterraines du Québec, où les autres sources de contaminants, tels que la géologie du gisement et de la roche encaissante, les gaz de sautage et autres, contribuent légèrement à l’augmentation des contaminants pendant les quarts de travail. Les produits d’échappement de ces équipements sont pour la plupart toxiques pour le travailleur. Par conséquent, la réglementation prévoit une valeur d’exposition limite pour chacun des produits d’échappement des moteurs à combustion interne. Le prochain chapitre présente la campagne de collecte des données dans les mines souterraines du Québec. Plus particulièrement, les sujets abordés sont le type de données recueillies, l’accessibilité aux données et la méthodologie de la collecte.
