Lampe de sûreté minière

La lampe de sûreté est une lampe à huile dont la flamme est enfermée de façon à ne pas pouvoir enflammer le grisou des mines de charbon. Dans sa forme la plus connue, celle de Humphry Davy, un cylindre de fine toile de fer laisse entrer l’air et retient la flamme. La première lampe de sûreté a été décrite par William Clanny en 1813, et Davy comme George Stephenson ont mis au point la leur en 1815.

Ce que c’est

Les veines de houille dégagent du grisou, un gaz composé surtout de méthane. Mélangé à l’air dans une proportion comprise entre 5 et 15 % environ, il explose au contact d’une flamme, et les mineurs s’éclairaient à la chandelle ou à la lampe à feu nu. La lampe de sûreté permet de porter une flamme dans cet air sans l’allumer. La flamme brûle dans une cage fermée qui laisse entrer l’air frais et sortir les gaz brûlés, mais que la flamme elle-même ne peut pas traverser.

Les lampes plus tardives entourent la flamme d’un épais cylindre de verre et gardent la toile au-dessus.

La lampe que Humphry Davy mit au point à la fin de 1815 en est la forme la plus simple. Une petite lampe à huile à réservoir de laiton porte un cylindre de fine toile de fer, fermé en haut par une seconde épaisseur de toile. Trois montants de fil de fer protègent le cylindre et se rejoignent au-dessus sur une plaque munie d’un anneau pour porter ou suspendre la lampe. La toile forme à elle seule toute l’enveloppe : il n’y a pas de verre, et le mineur voit la flamme à travers les mailles. Les lampes plus tardives entourèrent la flamme d’un épais cylindre de verre et ne gardèrent la toile qu’au-dessus, ce qui donnait bien plus de lumière.

La lampe servait aussi à détecter le gaz. La manière dont sa flamme changeait indiquait au mineur la présence de grisou et, à peu près, sa quantité.

Comment ça marche

Une flamme est une couche de gaz assez chaude pour continuer à brûler d’elle-même. Quand elle atteint la toile, les fils de fer lui retirent de la chaleur plus vite que le gaz en combustion n’en produit, et le gaz qui franchit les trous ressort trop froid pour brûler de l’autre côté. Davy commença par des tubes métalliques étroits : une explosion ne se propage pas dans un tube assez fin et assez long. Une toile agit comme une multitude de tubes très courts placés côte à côte. Dans son mémoire de janvier 1816, il indiquait que les toiles essayées, de 625 à 6 400 trous par pouce carré, étaient sûres. Un manuel de 1842 recommandait qu’aucune ouverture ne dépasse un vingt-quatrième de pouce, soit environ 1 mm, et la toile devenue courante comptait 28 fils de fer au pouce, soit 784 trous par pouce carré.

En présence de grisou, une auréole bleu pâle s’élève au-dessus de la flamme ; plus il y a de gaz, plus elle est haute.

La lampe aspire l’air qui l’entoure, quel qu’il soit. Quand cet air contient du grisou, une partie du gaz brûle dans la cage. Avec un peu de gaz, une auréole bleu pâle apparaît au-dessus de la flamme jaune et s’allonge à mesure que la proportion augmente. Certaines lampes portaient des repères sur leur verre pour en lire la hauteur. Dans un mélange explosif, tout le cylindre se remplit de flamme et la toile peut rougir, mais la combustion reste à l’intérieur. C’est le signal de se retirer aussitôt : laissés dans le gaz, les fils continuent de chauffer et peuvent finir par fondre.

Cette protection avait des limites connues dès le début. Un fort courant d’air pouvait chasser la flamme à travers les mailles. Lors des essais d’une commission royale britannique, entre 1879 et 1886, une lampe Davy de la houillère de Blantyre transmit sa flamme au mélange explosif qui l’entourait dès que celui-ci était en mouvement. Un trou plus large que les mailles, dû à un choc ou à la rouille, supprimait toute protection, tout comme l’ouverture de la lampe au fond, que les mineurs avaient pour consigne de ne jamais faire. La lumière était faible. La lampe permit aussi d’exploiter des veines plus profondes et plus grisouteuses, et les coups de grisou continuèrent.

Comment faire

Une vraie lampe de sûreté doit être fabriquée et homologuée pour son usage, et une lampe faite maison ne doit jamais approcher un gaz, une vapeur de carburant ou une poussière. Ce que l’on peut montrer sans danger sur une table, c’est le principe : une flamme ne traverse pas une toile métallique fine.

La flamme s’étale sous la toile mais ne la traverse pas.

Il faut une bougie sur un bougeoir stable, un plateau de métal, un carré de toile métallique fine d’environ 15 cm de côté (la toile d’acier ou de cuivre vendue pour les laboratoires, ou un morceau découpé dans une passoire fine en métal dont on a retiré le bord en plastique), une longue pince métallique ou une pince de laboratoire sur statif, et un seau de sable ou d’eau. Allumez la bougie et laissez la flamme se stabiliser. Tenez la toile à plat avec la pince et descendez-la lentement sur la flamme jusqu’à la couper à mi-hauteur. Le bas de la flamme s’étale sous les mailles, et au-dessus on ne voit qu’un peu de fumée, sans flamme. Relevez la toile et la flamme entière revient. La toile froide fonctionne le mieux ; au bout de quelques secondes dans la flamme, elle chauffe, la suie se dépose sur les fils, et il faut la poser sur le plateau pour qu’elle refroidisse avant de recommencer.

La flamme est nue et la toile devient assez chaude pour brûler la peau. Travaillez sur une surface qui résiste à la chaleur, loin des rideaux, du papier et de tout ce qui peut prendre feu, attachez les cheveux longs et retroussez les manches amples, gardez le sable ou l’eau à portée de main, et ne laissez les enfants faire l’expérience qu’en présence d’un adulte. Ne tenez jamais la toile avec les doigts, n’utilisez jamais de brûleur à gaz, d’essence à briquet, d’alcool ni aucun autre combustible pour cet essai, et ne vous en servez jamais pour chercher du gaz. Laissez tout refroidir avant de ranger.

Histoire et évolution

Le 25 mai 1812, une explosion à la houillère de Felling, près de Gateshead, tua 92 hommes et garçons. L’année suivante, une Société pour la prévention des accidents dans les mines de charbon se forma à Sunderland, et ses membres attendirent de la science une lumière sûre.

La première réponse vint d’un médecin de Sunderland, William Reid Clanny. Dans un mémoire lu à la Royal Society le 20 mai 1813, il décrivait une chandelle brûlant derrière un verre épais dans une boîte close. Une paire de soufflets y poussait l’air frais à travers de l’eau placée sous la flamme, et l’air brûlé s’échappait à travers de l’eau située au-dessus, de sorte qu’une explosion intérieure ne pouvait pas atteindre la mine. La lampe fonctionnait mais demandait de pomper sans arrêt, et Clanny passa ensuite à des modèles plus simples.

En 1815, deux hommes travaillèrent en même temps sur la question. George Stephenson, chef mécanicien de la houillère de Killingworth et futur constructeur de locomotives, essaya une lampe dans la mine le 21 octobre 1815, puis des versions améliorées le 4 et le 30 novembre ; dans sa forme aboutie, la flamme brûlait dans une cheminée de verre sous un couvercle de métal percé de petits trous. Humphry Davy commença ses recherches à Londres le 9 octobre 1815, avec Michael Faraday pour assistant. Le 9 novembre, son premier mémoire, sur des lampes dont l’air passait par des tubes étroits, fut lu à la Royal Society. Il remplaça ensuite les tubes par de la toile métallique. Cinq de ses lampes à toile furent essayées à la houillère de Hebburn le 9 janvier 1816, et son compte rendu de la lampe à toile fut lu deux jours plus tard.

Chaque camp revendiqua la priorité. Les partisans de Davy soutenaient que la lampe sortait de ses expériences et que Stephenson lui avait emprunté l’idée. En 1817, un comité réuni à Newcastle conclut que Stephenson avait travaillé de son côté, et des exploitants houillers réunirent pour lui 1 000 livres sterling. Les deux lampes restèrent en usage, la Davy dans la plus grande partie de la Grande-Bretagne et la lampe « Geordie » de Stephenson dans le Nord-Est, où beaucoup de mineurs préféraient sa lumière plus vive.

Les lampes suivantes associèrent le verre et la toile. En 1839, Clanny entoura la flamme d’un cylindre de verre surmonté de la toile, et en 1840 l’ingénieur belge Mathieu Mueseler ajouta une cheminée intérieure qui améliorait le tirage et évitait que la suie ternisse le verre. Après les essais en courant d’air de la commission royale, on préféra les lampes dont la toile était protégée par un capot de métal. Les lampes électriques apportèrent le changement suivant. Aux États-Unis, le Bureau des mines agréa en 1915 une lampe de casque mise au point avec Thomas Edison, avec une ampoule sur le casque et une batterie rechargeable à la ceinture. Les lampes de casque électriques éclairaient bien mieux, mais elles ne révélaient pas le gaz : les lampes de sûreté à flamme furent donc gardées pour la détection du grisou longtemps après avoir cessé de servir à l’éclairage.