Cet article explique la technique de reconnaissance et de progression en milieu minier confiné comportant des gaz nocifs : CO2, CO, H2S, CH4. Si vous reconnaissez ce lieu, n'y allez pas sans détection, vous trouverez la mort sans signe précurseurs (teneurs très élevées en CO2).

This article explains recognition and progression technics in confined mine tunnels, where air contains harmful gases : CO2, CO, H2S, CH4. If you recognize this place, don't go without gas detection, you would find death without precursors signs (very high CO2 levels detected).

Rédaction : Vincent Tchorski, Acmo.
Réalisation technique : Lon Persich, Acmo, Hugo Clément, Damien Joubert.
Correction de l'article : Christophe C., Jean-Paul Delacruz.

Mots clés : CO2 dans mine, CO2 remplace O2, CO2 dans air, dioxyde de carbone remplace oxygène or dioxygène, CO2 et spéléo, CO2 et spéléologie minière, CO2 dans puits de mine, CO2 après tir de mine, intoxication au CO2, spéléologie dans milieu comportant gaz, détection de CO2, Oldham MX 2100 S, détecteur niveau O2, CO2 déduction O2.

Vous pouvez écouter une partie de l'ambiance de l'exploration ci-dessous.

https://tchorski.fr/audio/barchon.mp3

A une altitude zéro, l'air contient 21% de dioxygène, 78% de diazote, 1% d'autres gaz dont 0,9% d'argon. Dans des milieux confinés comme les galeries de mines, l'équilibre des gaz peut parfois changer. Dans des proportions que nous allons définir, cela peut provoquer des problèmes de santé et éventuellement la mort. La zone sûre est comprise dans une fourchette allant de 19 à 23% d'oxygène. En deça de 19% d'oxygène des troubles sont décelables, et en deça de 17% d'oxygène des troubles graves apparaissent.

Il existe de nombreux et divers problèmes de gaz dans les mines. Si rarement, on observe un manque d'oxygène dû au manque d'aérage des chantiers, où le N2 remplace l'O2, si quelquefois on observe la présence de H2S (odeur d'ouf pourri), le problème rencontré le plus fréquemment dans les mines souterraines est la présence de CO2. Dans des termes simplifiés mais relativement exacts, le CO2 remplace l'oxygène de l'air. Ca signifie qu'en cas de présence de CO2, les premiers signes annonciateurs de problèmes sont des difficultés de respiration.

Pourquoi y a-t'il parfois du CO2 dans les mines ?
Le CO2 peut provenir de différentes sources, parfois mêlées, parfois difficiles à expliquer. Cela peut provenir de la dissolution des roches carbonées : le charbon, le calcaire, le gypse. Cela peut aussi provenir de la fermentation aérobie des boues. C'est ainsi par exemple lorsqu'on marche dans une boue et que cela produit des bulles, il est possible mais non systématique que ça soit du CO2. Cela peut provenir de la végétation, en particulier les racines des arbres, qui en relachent une grande quantité dans le sol où le CO2 peut monter à 1% de volume. Ce CO2 se dissout dans l'eau d'infiltration, et dégaze ensuite dans la mine. Cela peut provenir de tirs de mines, il y a des gaz résiduels, surtout en lieux non ventilés. En milieu clos, bien souvent en fait, le CO2 provient de la décomposition végétale. La matière végétale qui pourrit relâche autant de CO2 que si on la brûle. Il faut bien garder conscience au fond que le charbon provient de l'altération ancienne de débris végétaux. En gardant le même raisonnement, ça peut provenir des boisages, abondamment utilisé en mine de charbon ancienne (étayage permanent).

Habituellement, quand l'eau traverse des sols acides, elle se charge de CO2. Accessoirement, cet enrichissement en dioxyde de carbone lui facilite la dissolution de CaCO3. La percolation a lieu sous une pression correspondant au recouvrement des terres traversées. Quand l'eau sourd des diaclases en toit de la carrière ou mine, elle libère son CO2, la pression redevenant la pression atmosphérique.

Quand un gaz anormalement présent dans l'air monte en proportion, il remplace la part d'oxygène et l'azote reste stable. Dans le cas du pourrissement de boisages, composés principalement de cellulose : (C6H10O5)n + 6n.O2 -> 6n.CO2 + 5n.H2O. Donc l'oxygène est converti en gaz carbonique. L'azote ne bouge pas.

Comment se comporte le CO2 ?
Le CO2 est plus lourd que l'air, densité 1,52. Le CO2 aura donc tendance à se mettre dans les points bas. On peut pour illustrer considérer que le CO2 est comme une nappe d'eau. En contrepartie, quand on marche, on créée de petites turbulences. Il faut donc préférentiellement faire les mesures au sol, mais ne jamais négliger que ça peut monter à notre passage. Le CO, monoxyde de carbone, est un autre gaz. Il a tendance à se répartir librement dans toute la galerie. Le CO se rencontre surtout dans les mines de houille. Ce gaz est produit par de mauvaises combustions. On peut éventuellement en trouver aussi après qu'un feu ait été fait dans une carrière.

Pour les problèmes, tout dépend de la quantité en volume présente.
-1%CO2 - 20% O2 : faible hyperventilation.
-2%CO2 - 19% O2 : augmentation de 50% de la ventilation respiratoire.
-3%CO2 - 18% O2 : sous 19% et sans dépasser 18%, il s'agit de la limite acceptable dans un milieu de travail avec détecteur et sans assistance respiratoire. Augmentation de 100% de la ventilation respiratoire. Devient légèrement narcotique.
-4%CO2 - 17% O2 : augmentation forte de la ventilation respiratoire. On a l'impression d'être essoufflé, d'avoir couru un sprint alors qu'on ne bouge pas. L'expiration est forte, la respiration est rapide. La durée d'exposition est à minimiser car il y a danger.
-5%CO2 - 16% O2 : augmentation de 300% de la ventilation respiratoire. Dyspnée, mal de tête, respiration pénible, transpiration. La durée d'exposition doit être minimisée au maximum car il y a danger. L'exposition plus de 20 minutes peut provoquer des séquelles irréversibles, dont des odèmes cérébraux. Ebriété très forte, difficulté motrices (on a tendance à chuter). Difficultés à parler tellement le souffle est court dès qu'on marche. Si on sort vivant, on garde trace d'une fatigue très prononcée.
-6%CO2 - 15% O2 : vertiges, vomissements, picotement du nez et de la gorge, perte de connaissance. L'exposition à ce stade mène en principe à la mort après une durée relativement courte, de l'ordre de quelques minutes.
-10%CO2 - 11% O2 : intoxication massive avec perte de connaissance. Mort presque immédiate.

La norme pour la spéléologie (norme française du spéléo-secours français) est une exposition maximale d'une heure pour 4% CO2 et un quart d'heure pour 5% CO2. Cela me semble déjà des taux d'exposition élevés.

Le plus dangereux, c'est le manque (accessoirement total) d'oxygène. En 15 secondes, il est possible de perdre connaissance sans même s'en rendre compte, les lèvres deviennent bleues. Si on respire dans une atmosphère sans oxygène, le corps se vide d'oxygène beaucoup plus vite qu'en apnée. C'est une cause importante de mortalité des spéléo-plongeurs : ils enlèvent leur détendeur dans une cloche dépourvue d'oxygène et perdent connaissance, avant même de se rendre compte de l'empoisonnement de l'air, notamment tester avec un briquet. Dans le cas de passage d'une voûte mouillante ou d'un passage très étroit, ce n'est pas progressif : il n'y a pas le temps de se rendre compte qu'on s'essouffle.

Le CO2 présent en grande quantité dans l'air produit un réflexe respiratoire incontrôlable qui accélère fortement la respiration et permet ainsi de contrer la baisse de dioxygène dans le sang. Dans certain cas d'hyperventilation prononcée, ça provoque une hypoxie (trop d'oxygène) car la respiration va trop vite. Aux taux de 19%-17%, l'ébriété légère provient probablement de ce réflexe respiratoire. C'est à double tranchant. Plus la concentration de CO2 dans l'air est élevée, plus la différence avec celle du sang est faible et donc le corps rejette de moins en moins bien le CO2, amplifié avec le fait qu'on manque d'O2. A un moment c'est l'empoisonnement car le sang ne relâche plus assez le CO2 et c'est saturation. Le deuxième tranchant, c'est que s'il y a en plus dans l'air des gaz toxiques style H2S ou CH4, le réflexe qui accélère la respiration va aussi accélérer l'absorption de ces gaz dangereux.

Le CO2 est inodore. Il est donc indétectable par nos sens. Il est incolore. Par approximation, on peut se dire que si la respiration va mal, il est temps de faire demi-tour. C'est un mauvais comportement. Le CO2 peut former des murs. Il nous est arrivé d'effectuer une mesure précise à un endroit, et soudainement, on se rendait compte qu'on perdait 1% d'oxygène par mètre parcouru.
Il est parfois reporté dans les traditions que le CO2 formerait des nappes de brouillard au sol. Rien ne s'y oppose à vrai dire, mais ce n'est pas vérifié, ni fiable, et peut paraître fantaisiste.

Comment détecter le CO2 ?
Certains spéléologues disent que la lampe à acétylène permet de détecter le CO2. Si c'est effectivement le cas, il faut démystifier l'affaire : vous serez déjà mort quand la flamme va baisser. La flamme d'acétylène va baisser à 15% et s'éteindre à 12-13% de niveau d'O2.
La flamme au butane est nettement plus efficace. Il s'agit d'utiliser soit un briquet soit un lumogaz.
A 17,5%, la flamme du briquet devient évanescente, filaire, bleue ou transparente, le briquet s'allume mal.
A 17%, le briquet ne s'allume plus.
A 21%, dans la mine yeux adaptés à l'obscurité, le manchon du lumogaz fait mal aux yeux tellement il est lumineux.
A 19%, dans la mine yeux adaptés à l'obscurité, le manchon du lumogaz est blanc mais on sait le regarder.
A 17%, le lumogaz va devenir rouge. Le manchon va donner des signes de mauvaise combustion.
A 16%, le lumogaz va s'éteindre.
Ces mesures artisanales sont intéressantes, cependant elles ont des défauts majeurs :
1/ Ces mesures sont approximatives.
2/ Ce ne sont pas des mesures permanentes, cela signifie qu'on peut tomber dans un mur de CO2.
3/ Ce n'est pas utilisable en milieu ex. (explosif), où il faut du matériel de sécurité dit Atex (anti-déflagrant).
4/ Cela mesure approximativement le niveau d'O2, mais ne renseigne pas sur les autres gaz présents(H2S, CH4, SO2, CO). De plus, la présence de CO2 augmente la ventilation, donc augmente l'absorption d'autres gaz tout aussi dangereux.

La mesure idéale se fait avec un détecteur polyvalent O2/CO/H2S/CH4. C'est le matériel que possèdent les égoutiers. Ce matériel coûte 500 euros environ et doit être étalonné tous les deux ans. Les lampes à led ne sont pas anti-déflagrantes, les appareils photo non plus, sauf les appareils entièrement mécaniques sans cellule. Nous avons utilisé un Oldham MX 2100 S.

Le cas pratique de l'areine de Barchon
Il est intéressant de présenter les problèmes que nous avons rencontrés, afin de montrer que la théorie est une chose, que la pratique en est une autre, et surtout que la méfiance doit toujours être de mise.
Il s'agit d'une galerie d'évacuation des eaux d'un ancien charbonnage d'anthracite. Cette donnée provient d'un plan ancien. Sur place, certains éléments font pourtant penser que c'est un bouveau (galerie principale de charbonnage), étant donné qu'il n'y avait pas toujours de l'eau et qu'il y avait des traces d'anciens rails. Je ne sais pas trancher sur la question. Le nom areine de Barchon n'est pas officiel. Nous avons donné ce nom parce que la galerie va sous le plateau de Barchon et de Housse.
Nous avions constaté quelques mois auparavant une respiration difficile, donc nous avions avorté la visite. Nous sommes revenus avec un détecteur et du matériel d'assistance respiratoire. Les données de base étaient donc : présence supposée de CO2, anthracite donc pas de grisou.

Le rapport est le suivant :
Nous avons bénéficié d'une inversion d'aérage très favorable à notre visite, avec un courant d'air vers le cour de la terre, donc une aération des chantiers. En cas contraire, il me semble justifié de tout descendre de 1% environ.
-O2 dans la mine : 19,4%
-O2 à 300m dans l'areine : 17,5%
-O2 derrière l'effondrement : 17,0% puis variable. Remonte à 19,5%, descend ensuite régulièrement après un second effondrement.
-Niveau le plus bas d'O2 mesuré : 14,5%. Ce lieu n'était pas à la fin de l'areine mais étrangement à un passage désagréable au début de l'areine, aux environs de 500 mètres.
-CO : resté à 0,00.
-CH4 : resté à 0,00 jusqu'à 2km. Ensuite, monte extrêmement rapidement. Lorsque nous avons fait demi-tour, a continué d'augmenter. Nous avons probablement créé des perturbations dans une poche de grisou.
-H2S : monté a 5PPM.
-Gaz inconnu : présence d'une odeur soufrée mais pas de l'ouf pourri, H2S à zéro.

On déduit de ces mesures :
-Le niveau d'oxygène ne va pas en diminuant progressivement mais est variable, c'est probablement fonction des infiltration dans les fontis, les fissures. Une barrière de CO2 de 100 mètres de long a été constatée alors que derrière, le niveau était acceptable.

-En ce qui concerne le CH4, le détecteur a indiqué des valeurs comprises entre 0.000 à 15.000 ppm. Cela pourrait signifier qu'il peut y avoir du grisou dans l'anthracite. En réalité, c'est probablement la decomposition anaérobie qui a crée ce méthane.

-Les niveaux classés comme dangereux sans matériel ATEX pour le CH4 sont d'après le détecteur des valeurs comprises entre 5.000 à 15.000 ppm, d'après l'expérience des valeurs comprises entre 15.000ppm à 30.000ppm avec un éclairage LED. Il est évident que nous avons préféré ne prendre aucun risque.
Limite d'alarme A1 : 1% (10.000ppm) - Pourcentage de risque avec flamme ou étincelle : 20%
Limite d'alarme A2 : 2% (20.000ppm) - Pourcentage de risque avec flamme ou étincelle : 40%
Limite d'explosivité : 5% (50.000ppm) - Pourcentage de risque avec flamme ou étincelle : 100%

-Pour le H2S, ou bien on le sent ou bien on ne le sent pas. Si on le sent, il y en a. Si on ne le sent jamais, il n'y en a pas. Si on ne le sent plus après l'avoir senti, il y en a trop. Si on continue en concentration élevée, on ne le sent plus quelques minutes après, toutes fonctions vitales ayant cessé (mode d'action à peu près identique au HCN, inhibition des transmissions d'énergie dans les mitochondries). Ca signifie qu'en cas de concentration élevée de H2S, les récepteurs que nous possédons ne sont plus à même de nous informer correctement.

« Seuils de toxicité aiguë hydrogène sulfuré (H2S) », Tissot & Pichard, Ineris, janvier 2000.
Seuil d'effet létal H2S en 10 minutes : 688 ppm (env. 0,07 %). La mort est assurée en 1 minute avec 0,15 %. Cela dit, des effets irréversibles au point de vue neurologique apparaissent avec 320 ppm en 1 minute. Ce qui est intéressant c'est que le seuil de détection olfactive est de 0,1 ppm au plus. Tout le monde le sent à cette teneur. Les plus sensibles le détectent à 0,02 ppm. Mais le seuil d'anesthésie olfactive se situe à 150 ppm. Or 150 ppm procure des effets irréversibles en 10 minutes. Il agit en inhibant la cytochrome c-oxydase et bloque la respiration cellulaire, mais provoque aussi une apnée pouvant, même en cas de secours rapide, entraîner des dégâts dans les tissus cérébraux.

L'absence de perception olfactive dans un milieu avec suspicion de H2S, absence accompagnée de l'irritation des yeux, ou de la gorge ou du nez peut faire craindre un taux d'au moins 150 ppm, mais peut-être, et c'est le problème, de beaucoup plus. Le fameux basilic mortel qui tuait les vidangeurs il y a plusieurs siècles dans les égouts mal ventilés et encombrés était en fait du H2S.

-Nous avons détecté une odeur soufrée mais le compteur de H2S était à 0,00. Un gaz soufré peut être aussi du SO2, ce qui est très fréquent. Ca donne même du prix aux cures thermales de Barèges et autres coins, sans parler des savons au soufre et autres. Il est âcre mais son odeur d'ouf pourri est donnée par les traces inévitables de H2S. Cette odeur soufrée provenait probablement d'une mélasse présente au dessus de l'eau, probablement le produit de bactéries. Au vu de la couleur de l'eau, il est possible que l'eau était légèrement chargée de H2SO4, acide sulfurique, ce qui expliquerait l'impression que l'odeur était âcre. Il est possible aussi que ça soit dû au charbon, lequel produit de l'anhydride sulfureux lorsqu'il brûle. Ca reste malgré tout une source peu probable.

On déduit de ces mesures :
-Sans détection précise, il y avait prise de risque.
-Il était déraisonnable d'allumer un briquet.
-Sans assistance respiratoire, nous étions exposés à de graves problèmes.

Il faut prendre garde que ces données, avec tout le sérieux qu'elles peuvent comporter, ne sont que des indications. Dans une mine gazée, malgré le matériel adéquat, rien ne vaut la décision raisonnable de renoncer et rebrousser chemin.

Je n'ai fait des photos que dans les parties peu gazées. Autrement, les gaz m'ont trop stressé et je n'ai pas fait de photos. Les photos sont réalisées très rapidement au vu des concentrations de gaz toujours légèrement présentes, ce afin de limiter les temps d'exposition.

La visite sous respiration artificielle.

L'aspect typique d'un bouveau en région liégeoise.

Il s'agit très probablement d'anciens boisages en bois recouverts de béton projeté.

La galerie de Housse.

Voici la mélasse à la surface de la galerie, avec forte odeur de soufre.

Certains passages sont dégradés et désagréables.

Une galerie qui va vers un quartier d'exploitation.

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