Quel lien y a-t-il entre l’Ecole des Mines de Saint-Etienne et les Jeux olympiques qui viennent d’avoir lieu à Paris ? Il y en a au moins un ! Je vous invite à le découvrir en lisant les lignes qui suivent.

Pour atteindre Paris et ses Jeux, la flamme olympique a voyagé depuis la Grèce, où elle a été allumée aux rayons du soleil. Le transport s’est fait de deux façons. Principalement par la belle torche brandie à bout de bras par tant de personnes en relais, marchant et courant, d’un bout à l’autre de la France métropolitaine (elle est passée à Saint-Etienne et dans la Loire), aussi bien qu’en Outre-mer. Mais également, lors d’étapes plus délicates, en bateau ou en avion, à l’intérieur d’une jolie lampe dorée où elle apparaissait en sécurité dans sa couronne de verre. Peu de journalistes nous ont dit que, dans ce second cas, il s’agissait d’une lampe de mineur (les habitants des anciens pays miniers, en particulier ceux du bassin de Saint-Etienne, l’ont certes reconnue (1)). Pourquoi une lampe de mineur ? Il est sûr que l’aspect esthétique de la lampe, la confiance qu’on peut lui accorder pour protéger la précieuse flamme olympique (souvenez-vous de Léon Marchand la portant à la cérémonie de clôture des Jeux - on parle de lampe de sureté ou de sécurité -), et peut-être même l’aspect patrimonial (avec un apport déterminant des ingénieurs européens : anglais, français…, pour sa mise au point (2)) ont compté. Mais, apparemment, aucun commentateur ne nous a donné des explications sur la forme bizarre, élancée, surmontée d’un tronc de cône métallique, de cet instrument, ni sur son fonctionnement. La lampe paraît simple ? Non, elle cache une structure interne complexe, elle cache un fonctionnement spécifique, elle a toute sa charge d’histoire humaine.

Les ligériens savent tout cela, mais rafraîchissons leur la mémoire !

Avant l’utilisation de l’électricité, les mineurs du charbon utilisaient, pour s’éclairer au fond, la flamme entretenue par la combustion d’un carburant dont le type a varié au cours du temps (huile, benzine, pétrole, acétylène…). Mais dans les profondeurs de la mine, un important problème se pose : un gaz dangereux, le grisou, mélange de gaz de mine, composé la plupart du temps essentiellement de méthane (de formule CH₄) accompagne souvent le charbon. Il est localement abondant et s’échappe lors de l’abattage de la houille et la détente des terrains. Présent alors dans l’air des galeries, il peut s’enflammer au contact des lampes, causant de terribles explosions mortelles : les coups de grisou (l’explosion est parfois accompagnée de l’inflammation des poussières de charbon soulevées et redoublées en quantité par ces processus violents (3)). De nombreux ingénieurs se sont penché sur ce problème, tant en France qu’en Belgique, Angleterre et Allemagne, pays où on exploitait le charbon de façon active depuis la fin du XVIII° siècle, voire avant. Des premières décennies du XIX° siècle jusqu’au milieu du XX° siècle, de multiples commissions se sont réunies (voir la liste de références). Elles faisaient état des recherches expérimentales, des tests, des approches théoriques et des diverses propositions pour agréer les lampes en vue d’éviter ces graves risques. De grands personnages de l’art des mines se sont attelés à ces questions, en France et ailleurs, et ont donné leurs noms aux lampes : Angleterre : Clanny, Stephenson, Davy ; Belgique ; Mueseler, Eloin, Boty ; France : Dumesnil, Marsaut, Fumat ; Allemagne : Wolf, parmi de nombreuses autres. Dans les signataires des rapports d’expertise, on rencontre un minéralogiste distingué (Mallard) ou un célèbre thermodynamicien (Le Chatelier).

Ne pas allumer le grisou !

Sans rentrer dans les détails des fonctionnements comparés des diverses lampes, résumons les problèmes posés et les solutions présentées. Nous allons d’emblée aux perfectionnements maximaux, sachant que les diverses lampes les ont peu à peu enchaînés au fur et à mesure que l’expérience progressait (aucun inventeur ne peut mériter une prééminence sur les autres). Je ne suis pas complètement sûr de celle qui a été choisie pour les jeux de Paris 2024, faute de l’avoir vue de près et d’avoir pu la démonter (et je n’ai pas obtenu de réponse précise de la part du CIO). Mais devant la grande similitude des deux lampes que vous constaterez sur l'image, je suis tenté de dire: "c'est une lampe Marsaut, ou une cousine!", comme la suite du texte va vous l'expliquer (4).

De façon caricaturale, qu’est-ce qui est en jeu dans la fabrication d’une lampe de sureté ? « Je vais aller, avec ma lampe éclairée par une flamme, dans la mine où il risque d’y avoir du grisou. Pour que ma lampe fonctionne (j’ai besoin d’être éclairé), l’air doit apporter de l’oxygène à la mèche imbibée de combustible. Si la teneur en grisou est importante, en rencontrant la flamme, l’air pourra provoquer une explosion (une expansion importante et subite du volume de gaz avec une augmentation de température ; l’explosion se fait dans certaines conditions, revoir la note (3)). Mon objectif est d’avoir un certain contrôle, une certaine maîtrise de cette explosion. Ma visée est donc double. 1) Je vais tenter de circonscrire l’explosion en sorte qu’elle reste confinée à l’intérieur de la lampe sans l’endommager. 2) Je vais faire en sorte que la flamme de la lampe ne puisse sortir et allumer l’air ambiant, ce qui serait catastrophique. » Il faut pour cela que plusieurs conditions soient réunies simultanément.

- La lampe doit être extrêmement solide, ce qui est obtenu en lui donnant des dimensions (en particulier son diamètre) somme toute modestes, en l’entourant d’une cuirasse métallique vigoureuse, et en séparant la flamme de l’environnement par un verre épais. La solidité de la lampe la protège autant des agressions internes qu’externes (coups variés dans un environnement rude, l’eau même omniprésente au fond ne devant pas faire éclater la lampe).

- L’alimentation en air extérieur doit être réglée au plus juste pour avoir une flamme convenablement éclairante pour le mineur, mais sans flux excessif avec son apport éventuel de grisou (il faut éviter les apports directs et subits sur la flamme). On y parvient grâce à une chambre de combustion petite, de faible hauteur, et un trajet indirect de l’air (on parle d’alimentation renversée (5)) : l’air arrive par le haut de la couronne de verre entourant la flamme, puis redescend ; sur la figure c’est la flèche bleue dans la partie inférieure, avec le symbole A comme « arrivée ». Dans les lampes à alimentation en air par le bas, le trajet de celui-ci n’est pas direct non plus de façon à ne pas dévier la flamme et risquer de la faire sortir de son enceinte.

- La flamme doit avoir épuisé son pouvoir énergétique à sa sortie de la lampe, et l’échappement des gaz chauds doit être régulé. Pour cela un solide couvercle, ou chapeau, est disposé, on organise une sortie déviée des gaz comme indiqué sur la figure (symbole S comme « sortie », partie supérieure de la lampe), on prévoit une longue cuirasse au-dessus de la mèche, et, ce qui est invisible, deux tamis successifs sont disposés à l’intérieur de l’armure comme on le voit sur le schéma (l’ingénieur anglais Davy a montré qu’une flamme ne traverse pas un tamis de mailles suffisamment fines ; Marsaut a proposé de multiplier les tamis (6)). La grille double confine l’élévation de température en cas d’explosion tout en permettant aux gaz de s’échapper. La hauteur de la cheminée est ce qui rend si caractéristique la lampe de sûreté.

Tout cela a fait l’objet de multiples essais. Pour déterminer les dimensions, formes et proportions des différentes parties de la lampe, les tailles, positions et nombres des orifices, le poids total, la hauteur minimale de la grille composée des deux tamis, conditionnant celle de la cheminée, le diamètre des mailles des tamis... On a fait varier la nature des gaz, les teneurs en grisou, les vitesses et directions des courants d’air auxquels sont soumises les lampes (qui peuvent perturber les circulations à l’intérieur, c’est un facteur crucial) ; on a mesuré les températures des tamis en fonction des conditions expérimentales. Nous ne parlons pas des recherches sur les conditions dans lesquelles la flamme peut s’éteindre du fait des explosions internes (le changement de comportement de la flamme en conditions grisouteuses est à lui seul un avertissement au mineur). Et le grisou peut aussi continuer à brûler à l’intérieur de la lampe, même avec une mèche éteinte. Des considérations plus théoriques sur les variations de volume, de pression et de température induites par les explosions ont pu appuyer les raisonnements. Les aspects cinétiques sont aussi à prendre en compte.

On s’est encore assuré que la lampe se comporte de bonne façon même si on l’incline plus ou moins (on peut en avoir besoin par exemple pour inspecter le toit des galeries). En fonction de son usage, on prévoit que la lampe ne puisse s’ouvrir facilement (interdiction est donnée aux mineurs de le faire sur le chantier de la mine) ; il faut aussi que son entretien soit aisé lorsqu’elle est ramenée « au jour » dans les lampisteries.

Et l'Ecole des Mines?

Ces différentes recherches conduiront à la fin du XIX° et au début du XX° siècle à la sélection d’un petit nombre de lampes : la lampe Marsaut (qui a connu plusieurs générations) reste la seule recommandée au bout du compte (Congrès du cinquantenaire de la Société de l’industrie minérale, 1908). Elle a obtenu de nombreux prix nationaux et internationaux et a été fabriquée en des milliers d’exemplaires. Elle tient son nom de l’ingénieur de l’Ecole des Mines de Saint-Etienne (de prénom Jean-Baptiste), directeur de la Compagnie houillère de Bessèges (Gard) qui a mené d’importantes recherches sur le sujet. Son nom figure sur la façade de l’Ecole des Mines de Saint-Etienne (où l’on trouve également le nom d’Ernest Mallard qui a travaillé sur la question de la lampe de sécurité et a signé un des rapports donnés en références ; les noms de la façade sont redonnés en figure). Marsaut a travaillé à Bessèges, mais, en relation avec lui, d’autres essais effectués par Mallard et Le Chatelier ont été conduits dans un local spécialement aménagé de l’Ecole des Mines de Saint-Etienne, en collaboration avec Daniel Murgue (dont le nom se retrouve aussi sur la façade (7))) et Malartre (secrétaire de Marsaut). La lampe Marsaut sera remplacée progressivement par la lampe Wolf (du nom de son inventeur allemand Carl Wolf). Celle-ci conserve les caractéristiques essentielles de la lampe Marsaut mais brûle de la benzine, ce qui donne une puissance lumineuse supérieure, comporte un allumeur interne et une fermeture magnétique puissante inviolable par le mineur.

Quand nous voyons passer la lampe de mineur et son inestimable flamme olympique, souvenons-nous qu’elle est un concentré d’un siècle de recherche pour aider des hommes à s’éclairer et travailler en toute sécurité. Souvenons-nous qu’elle transporte un peu de l’histoire de l’Ecole des Mines de Saint-Etienne. Protéger les hommes, protéger la flamme : ils se protègent et s’assistent l’un l’autre. Le feu olympique a entretenu l’amitié à Paris pendant deux semaines. Qu’il n’allume ni coup de grisou ni de nouvelles guerres !

Notes 

(1) La lampe de mineur a été utilisée à de nombreuses reprises pour des Jeux Olympiques ; elle permet en particulier d’enfermer la flamme lors des transports en avion et prévenir des incendies. On l’a vue à Helsinki (1952), Mexico (1968), Grenoble (1968) …

(2) Parmi les premiers à avoir proposé des lampes de sécurité, une mention spéciale doit être accordée aux ingénieurs anglais Clanny, Stephenson et Davy, à partir de 1815. Au total, c’est par centaines qu’il faut compter les brevets sur les lampes de mine en Angleterre, Belgique, France, Allemagne, Autriche (et quelques-uns aux USA), dans une évolution continue de la mise au point de 1815, jusqu’à 1937 en France.

(3) Certains grisous ne contiennent pas de méthane. Le grisou peut s’enflammer au contact de la lampe. L’explosion peut se produire ensuite, cela dépend de nombreux facteurs (on définit un triangle d’explosivité ; voir aussi le rapport INERIS dans la liste des références) : - volume important, - mélange homogène avec l’air dans une proportion entre 5 et 15%, - confinement du mélange. En général, si le grisou s’enflamme la lampe s’éteint car elle est construite de façon à ce que l’alimentation en air ne puisse suivre dans une telle situation. Dans le cas rare d’une explosion, la toile ne la transmet pas (Crussard, 1919). Le coup de poussière n’est pas systématique, il dépend des qualités du charbon lui-même. Il y eut des controverses parmi les spécialistes pour savoir si le coup de poussière pouvait se produire seul ou initié par le grisou. La conclusion est qu’il peut se produire seul lorsqu’on utilise certains explosifs. On se souvient de la terrible catastrophe de Courrières dans le nord de la France, en 1906, provoquée par un coup de poussière, faisant plus de mille morts.

(4) D’après les indications de Christian Tauziède (comm. pers., 2024), il pourrait s’agir d’une lampe anglaise Protector, fille d’une lampe Marsaut dans son évolution. Au cours du XX° siècle, les progrès ont concerné la fermeture des lampes, la possibilité de les rallumer, le choix du combustible (carburant plus volatile) …. Pour les jeux olympiques, il semble qu’on a modifié la lampe pour pouvoir souffler la flamme sans manipulation compliquée ! Les lampes à flamme ont été employées encore jusque dans les années 1970 pour leur rôle dans la détection du grisou, en accompagnement des lampes électriques. Lors de leurs dernières années au niveau européen, les lampes Marsaut et leurs descendantes ont été concomitantes des lampes Wolf plus modernes encore.

(5) L’alimentation renversée n’est pas la règle, il a pu y avoir au XX° siècle une alimentation d’air inférieure à la chambre de combustion, l’important étant que le trajet de l’air rentrant dessine une chicane et n’ait pas une vitesse trop importante en passant sur la flamme.

(6) Le verre épais entourant la flamme permet d’augmenter la puissance lumineuse, sachant que, au début, les tamis descendaient davantage et cachaient partiellement la flamme. Avant le tamis, Davy avait initialement proposé de disposer de petits tubes. Le tamis dissipe la chaleur et évite la sortie de la flamme. En plus d’éviter les courants d’air excessifs sur la flamme, le chapeau de la lampe protège les tamis. L’explosion – maîtrisée – et la combustion interne du grisou peuvent être bénéfiques en ce qu’elles augmentent la puissance de la flamme.

(7) Murgue a donné son nom à une unité de résistance aérologique utilisée en ventilation, soit la résistivité, rapport de la perte de charge de l’air au débit, élevé au carré, multiplié par la longueur du circuit.

Documents consultés

Collectif (2016) Evaluation de l’aléa « gaz de mine », Guide méthodologique. Rapport d’étude INERIS, 87 p.

Crussard L. (1919) Mines, grisou, poussières, Librairie Octave Doin, Gaston Doin éditeur, Paris.

Humbert-Labeaumaz M. (1998) Lumières dans la mine. Histoire de la lampe Marsaut et de son inventeur. Chemin imprimeur, Crémieu, 192 p.

Le Chatelier H. (1889) La lampe de sureté. Congrès international des mines et de la métallurgie. Rapport présenté sur la demande du Comité d’organisation. Extrait du Bulletin de la Société de l’Industrie Minérale, 2° série, Tome III, 3° livraison. Théolier et C^ie, imprimeur, Saint-Etienne.

Mallard (1892) Expériences sur les lampes de sureté. Rapport présenté à la Commission du grisou, au nom de la sous-commission chargée des recherches expérimentales (Mallard, Le Chatelier, Cheneau), extrait des Annales des mines, Dunod, Paris.

Marsaut J.-B. (1889) Les lampes de sureté des Commissions officielles du grisou, Congrès international des mines et de la métallurgie, Exposition universelle de 1889. Imprimerie et lithographie Brugueirolles, Alais (Alès).

Marsaut J.-B. (1908) La lampe de sureté au congrès du cinquantenaire de la Société de l’Industrie Minérale, M. Beau imprimeur, Alais (Alès).

Rimmer D., Tauziède C., Chedgy G., & Maurice D. (2015) Clanny, Stephenson & Davy. Commemorating the Bicentenary of the Miners Lamp. The Miners Lamp Society.

Légende des figures

Visuel principal

Sur l’illustration, on présente côte à côte, la lampe utilisée lors des Jeux olympiques de Paris 2024 portée par un athlète (photographie prise sur Internet), et une coupe de la lampe Marsaut extraite du rapport de Marsaut (1908). Sur cette dernière on distingue les différentes parties décrites dans le texte. A savoir : le petit réservoir à huile où trempe la mèche, la chambre de combustion (entourée de son manchon de verre représenté sur la coupe par deux rectangles hachurés de part et d’autre de la mèche ; on parle de « galerie » pour désigner les petites colonnes métalliques disposées autour du verre, vues sur la photographie), la longue cheminée supérieure cuirassée. On voit la coupe des deux tamis successifs à l’intérieur de la cheminée. On voit également le couvercle supérieur et les trous d’ouverture des gaz. On a représenté le trajet coudé de l’arrivée d’air dans la partie inférieure (flèche bleue, indication A), ainsi que le trajet aussi coudé de la sortie des gaz après combustion dans la partie supérieure (flèche bleue, indication S). Les chiffres indiqués sont des cotes en millimètres. Sur le portail de l’entrée principale de l’Ecole des Mines de Saint-Etienne, 158 cours Fauriel, on peut admirer une lampe de mineur. C’est aussi un tel objet que l’on offre aux visiteurs de marque ou aux membres du personnel lorsqu’ils partent à la retraite.

Figure de la façade de l’Ecole des Mines de Saint-Etienne

On a représenté de façon schématique la façade de l’Ecole des Mines et positionné les différents noms qu’on peut y lire des professeurs, directeurs et anciens élèves.

Remerciements

Je remercie Madame Geneviève Saby de la médiathèque municipale de Saint-Etienne de m’avoir donné accès aux documents anciens du fonds industriel, en particulier aux travaux de J.-B. Marsaut. Je remercie également Yves Paquette (YP) et Christian Tauziède (ChT) pour les nombreuses mises au point qu’ils m’ont permis de faire. En particulier ChT m’a fait bénéficier de toute sa connaissance des lampes de mineur et a eu l’amabilité de relire la nouvelle version du texte. YP et ChT sont tous deux anciens des Charbonnages de France, du CERCHAR (Centre d’Etudes et Recherches des Charbonnages de France) devenu l’EPIC (Etablissement Public Industriel et Commercial) INERIS (Institut National de l’Environnement Industriel et des Risques). YP est géologue et ChT est issu de l’Ecole des mines de Saint-Etienne.