SIFAT FISIK DAN SIFAT MEKANIK BATUAN DALAM DUNIA PERTAMBANGAN

SIFAT FISIK DAN SIFAT MEKANIK BATUAN DALAM DUNIA PERTAMBANGAN

1.1  Definisi dan Konsep Umum

Mekanika batuan adalah ilmu pengetahuan teoritik dan terapan yang mempelajari karakteristik, perilaku dan respons massa batuan akibat perubahan keseimbangan medan gaya di sekitarnya, baik karena aktivitas manusia maupun alamiah.

Menurut US National Committee on Rock Mechanics (1964) dan dimodifikasi (1974):

Rock mechanics is : the theoritical and applied science of the mechanical behavior of rocks and rock masses, it is that branch of mechanics concernd with the response of rock masses to the force fields of their physical environment.

Mekanika batuan mempelajari antara lain :

1.        Sifat sifat dan mekanik serta karakteristik massa batuan.

2.        Berbagai teknik analisis tegangan dan regangan batuan

3.        Prinsip prisnsip yang menyatakan respons massa batuan terhadap beban

4.        Metodologi yang logis untuk penerapan teori teori dan teknik teknik mekanika untuk solusi problem fisik nyata di bidang rekayasa batuan.

Mekanika batuan sendiri merupakan bagian dari subyek yang lebih lua yaitu Geomekanika., yang membahas tentang respons mekanik dan semua material geologi seperti batuan dan tanah.

Mekanika batuan sebagai ilmu terapan menjadi suatu disiplin rekayasa koheren dalam tiga setengah dekade terakhir. Bidang rekayasa pertambangan sudah sejak kira-kira dua dekade terakhir telah mulai mengambangkan teknik-tekniknya sendiri bardasarkan kaidah-kaidah mekanika batuan dalam rancangan dan pelaksanaan penggalian baik di permukaan maupun bawah permukaan.         

Dari pengalaman di lapangan telah dibuktikan bahwa aplikasi mekanika batuan untuk rancangan dan pelaksanaan operasi penambangan telah berhasil meningkatkan efisiensi struktur-struktur dalam tambang (lereng penggalian, lubang bukaan, dan sebagainya), dan safety confidency.  Prediksi-prediksi kondisi kekuatan dan kelemahan suatu struktur telah ditingkatkan keakuratannya, sehingga mengurangi unsur trial and error.

Pelaksana di lapangan dipermudah dan dipercepat penyelesaian pekerjaannya karena diterapkannya sistem monitoring selama dan setelah suatu pengalian terowongan.

1.2 Sifat massa batuan di alam dan asumsi dasar

Massa batuan, karena proses terjadinya secara alamiah memiliki sifat yang cenderung unik ( tidak ada kembarannya ). Meskipun secara deskritif namanya sama misalnya andesit, tetapi antara andesit satu dengan yang lain hampir pasti tidak sama persis. Oleh karena itulah maka sifat massa batuan di alam adalah hetrogen, anisotrop, diskontinu.

(1)   Heterogen,artinya :

-          Mineralogis : Jenis miniral pembentuk batuan berbeda-beda

-          Butiran padatan : Ukuran dan bentuknya berbeda-beda

-          Void : ukuran,bentuk dan penyebarannya berbeda-beda

(2)   Anisotrop,artinya :

-          Mempunyai sifat-sifat yang berbeda pada arah yang berbeda

(3)   Diskontinu,artinya :

-          Massa batuan selalu mengandung unsur struktur geologi yang mengakibatkannya tidak kontinu seperti karena kekar,sesar,retakan,fissure,bidang perlapisan.Struktur geologi ini cenderung “memperlemah” kondisi massa bantuan.

Kondisi di atas apabila diperlakukan sebagaimana adanya tidak memungkinkan dilakukan solusi dengan pendekatan logik-matematik. Oleh karena itu perlu penyederhanaan dengan asumsi,yang semula Heterogen-Anisotrop-Diskontinu menjadi Homogen-Isotrop-Kontinu.

Dalam asumsi di atas, seolah-olah terjadi kontradiksi atau saling bertolak belakang antara kondisi sebenarnya pada massa batuan denga asumsi yang dibuat. Tetapi asumsi itu harus disertai equivalensi, misalnya dari kondisi batuan B1, B2, B3 diasumsikan menjadi batuan B' yang homogen, isotrop, dan kontinu.

1.3. Ruang Lingkup Mekanika Batuan

Problem mekanika batuan dapat disebabkan oleh aktivitas manusia dan gejala alamiah. Persoalan rekayasa yang umumnya berkaitan dengan peran mekanika batuan mulai dari tahap para-rancangan hingga tahap operasional. Bidang-bidang rekayasa dimana disiplin mekanika batuan berperan penting ialah :

(1)          Rekayasa pertambangan : penentuan metode penggalian (rock cutting),pemboran dan peledakan batuan, stabilitas lereng batuan, stabilitas timbunan overburden, stabilitas terowongan dan lombong (stoping)

(2)         Indrustri minyak bumi : pemboran (oil drilling),rock fracturing.

(3)         Rekayasa sipil : pondasi jembatan dan gedung bertingkat,undergroung powerhouse,undergroung stroage,tunnel dangkal dan dalam,longsoran lereng batu,pelabuhan,airport,bendung,dsd.

(4)         Lingkungan hidup : rock fracturing kaitannya dengan migrasi polutan akibat limbah industri.

1.4. Interaksi Fungsional Pada Rekayasa Pertambangan

Interaksi multi disiplin dalam rekayasa pertambangan di lukiskan seperti gambar 1.2. Tujuan utamanya ialah mengembangkan suatu skedul produksi dan biaya yang berkesinambungan untuk operasi penambangan.

Kegiatan rancangan mekanika batuan memerlukan dukungan lingkungan organisasi yang mengizinkan pemaduan konsep,informasi dan aktivitas analitik yang diperlukan dari para manajemen, engineer perencanaan, geologis, dan engineer mekanika batuan. Pada Gambar 2 di tunjukkan, dependensi mutual setiap grup fungsional, dan engineer perencanaan tambang mengolah kontribusi tiap individual ke dalam gambar-gambar kerja, schedul produksi, dan estimasi biaya untuk implementasi selanjutnya.

 

1.5. Impelementasi program mekanika Batuan

Metodologi untuk implementasi program mekanika batuan di lukiskan dengan skema pada Gambar 1.3. Ada lima komponen program yang harus di laksanakan secara terintegrasi.

 

Dari perspektif mekanika batuan adalah sangat bermanfaat untuk mengetahui informasi rekayasa yang penting dari grup fungsional lain, demikian juga informasi dari grup mekanika batuan bermanfaat untuk para injiner perencana.

Pada Gambar 1.3. terlihat adanya multi-pass loop karena :

-            Tahap karakterisasi lokasi tidak pernah menghasilkan data yang cukup komprehensif yang dapat di pakai untuk merencanakan seluruh umur tambang

-          Rancangan tambang adalah proses evolutif dimana respon rekayasa di rumuskan untuk mencerminkan kinerja struktur tambang pada kondisi operasi sesungguhnya.

Dari Gambar 1.3. juga terlihat bahwa data yang di hasilkan dari analisis retrospektif selanjutnya di pakai sebagai umpan balik (feed back) untuk memperbarui (up date) data karakterisasi lokasi,dan formulasi model tambang serta analisis rancangan.

1.6 Karakteristik Batuan

Dalam mekanika batuan sifat sifat batuan dapat dikelmpokkan menjadi 2 bagian :

1.    Sifat Fisik Batuan

Batuan merupakan suatu bahan padat yang terbentuk dari hasil kumpulan mineral-mineral, sedangkan mineral sendiri merupakan bahan padat anorganik yang terbentuk di alam dengan mempunyai susunan kimia tertentu dan sifak-sifat fisiknya dan terbentuk oleh susunan kristal yang teratur. Dalam resume ini dijelaskan tentang sifat - sifat fisik dari batuan yang meliputi :

a)      Porositas Batuan

Porositas didefinisikan sebagai perbandingan volume pori-pori (yaitu volume yang ditempati oleh fluida) terhadap volume total batuan. Ada dua jenis porositas yaitu porositas antar butir dan porositas rekahan. Besar kecilnya porositas dipengaruhi oleh beberapa faktor, yaitu ukuran butir, susunan butir, sudut kemiringan dan komposisi mineral pembentuk batuan. atau bisa didefinisikan bahwa porositas adalah ruang yang terdapat diantara fragmen butiran yang ada pada batuan yang akan menyarangkan air.

 Berdasarkan waktu dan cara terjadinya, maka porositas dapat juga diklasifikasikan menjadi dua, yaitu :

1) Porositas primer, yaitu porositas yang terbentuk pada waktu yang bersamaan dengan proses pengendapan berlangsung.

2) Porositas sekunder, yaitu porositas batuan yang terbentuk setelah proses pengendapan.

b)        Permeabilitas

Permeabilitas merupakan besaran yang digunakan untuk menunjukkan seberapa besar kemampuan suatu batuan untuk mengalirkan fluida yang terkandung didalamnya. Permeabilitas merupakan properti suatu batuan berpori dan merupakan besaran yang menunjukkan kapasitas medium dalam mengalirkan fluida. Jenis-jenis Permeabilitas :

1) Permeabilitas absolut (ka).

Yaitu pengukuran pada medium berpori untuk fluida satu fasa ketika medium tersebut dialiri oleh satu jenis fluida, dimana saturasi fluida yang mengalir bernilai satu.

2) Permeabilitas efektif (k).

Yaitu pengukuran pada medium berpori untuk fluida satu fasa ketika medium tersebut dialiri oleh lebih dari satu jenis fluida.

3) Permeabilitas relatif (kr).

Yaitu perbandingan antara permeabilitas efektif fluida pada nilai saturasi tertentu, terhadap permeabilitas absolut pada saturasi 100%.

Faktor-faktor yang Mempengaruhi Permeabilitas.

1)        Distribusi ukuran butir.

Ukuran butiran yang semakin beragam dalam suatu batuan, maka pori-pori akan semakin kecil dan permeabilitas juga akan semakin kecil.

2) Susunan (packing) butiran.

Susunan butiran yang semakin rapi, maka makin besar harga permeabilitasnya.

3) Geometri butiran.

Semakin menyudut geometri butiran, maka permeabilitasnya semakin kecil.

4) Jaringan antar pori (pore network).

Semakin bagus jaringan antar pori, maka permeabilitasnya semakin besar.

5) Sementasi. Semakin banyak semen dalam suatu batuan, maka harga permeabilitas akan semakin kecil.

6) Clay Content

Semakin banyak mengandung lempung, maka semakin kecil permeabilitas batuan tersebut.

c. Densitas Batuan

Densitas batuan dari batuan berpori adalah perbandingan antara berat terhadap volume (rata-rata dari material tersebut). Densitas spesifik adalah perbandingan antara densitas material tersebut terhadap densitas air pada tekanan dan temperatur yang normal, yaitu kurang lebih 103 kg/m3.

d. Void Ratio

Merupakan perbandingan antara volume rongga dalam batuan dengan volume butiran batuan.

Penentuan sifat fisik batuan berkaitan dengan :

 Rancangan peledakan

 Perencanaan penambangan

 Perhitungan beban

 Analisis regangan

 Analisis kemantapan lereng

2. Sifat Mekanik

            Dalam menentukan sifat mekanik dari batuan, perlu dilakukan dengan pengujian di laboratorium dengan bantuan alat-alat yang akan menentukan bagaimana karakteristik dari setiap sifat mekanik batuan. dalam pengujian di laboratorium ada beberapa pengujian yang dilakukan, diantaranya :

Sifat mekanika batuan seperti kuat tekan, kuat tarik, modulus elastisitas dan (Poisson `s Ratio).

a. Pengujian Kuat Tekan Bebas (Unconfined Compressive Strength)

Pengujian ini menggunakan mesin tekan untuk menekan percontoh batu yang berbentuk silinder, balok atau prisma dari satu arah (uniaksial). Perbandingan antara tinggi dan fiameter percontoh (l/D) mempengaruhi nilai kuat tekan batuan. Untuk perbandingan l/D = 1 kondisi tegangan triaksial saling bertemu sehingga akan memperbesar nilai kuat tekan batuan untuk pengujian kuat tekan digunakan 2 < l/D < 2,5. Makin besar l/D maka kuat tekan akan bertambah kecil.

Gambar 1

Penyebaran tegangan didalam percontoh batu (a) teoritis dan (b) eksperimental, (c) Bentuk pecahan teoritis dan (d) Bentuk pecahan eksperimental

Gambar 2

Kodisi tegangan didalam percontoh untuk l/D berbeda (a) l/D = 1 (b) l/D = 2

b. Pengujian Kuat Tarik (Indirect Tensile Strength Test)

Pengujian ini dilakukan untuk mengetahui kuat tarik (tensile strength) dari percontoh batu berbentuk silinder secara tidak langsung. Alat yang digunakan adalah mesin tekan seperti pada pengujian kuat tekan.

Gambar 3

Pengujian kuat tarik

c. Modulus Elastisitas

Dalam penentuan elastisitas pada batuan, biasanya digunakan beberapa konsep percobaan untuk regangan yang dihasilkan, tegangan dan perbandingan antara keduanya atau sering disebut sebagai modulus young.

1) Regangan

Didefinisikan sebagai perbandingan antara pertambahan panjang dengan panjang awalnya. Pertambahan panjang ini tidak hanya terjadi pada ujungnya saja, tetapi pada setiap bagian batang yang terentang dengan perbandingan yang sama. Atau bisa dikatakan bahwa regangan merupakan besarnya deformasi dibandingkan dengan kondisi awalnya.

Gambar 4

Regangan yang dihasilkan dari pengujian kuat tekan batuan

(a)    regangan aksial, (b) regangan lateral dan (c) regangan volumik

2) Tegangan

Tegangan didefinisikan sebagai perbandingan antara gaya tarik yang dikerjakan pada benda dengan luas penampangnya. Atau tegangan merupakan besarnya gaya yang dialami suatu luasan batuan. Apabila gaya yang bekerja tegak lurus terhadap permukaan, maka stress yang demikian dikatakan tegangan normal (normal stress). Sedangkan gaya yang bekerja sejajar dengan permukaan dikatakan sebagai tegangan geser (shear stress).

3) Modulus Young

Modulus Elastisitas didefinisikan sebagai perbandingan antara tegangan, dengan regangan suatu bahan selama gaya yang bekerja tidak melampaui batas elastisitasnya. Modulus Young atau modulus elastisitas merupakan faktor penting dalam mengevaluasi deformasi batuan pada kondisi pembebanan yang bervariasi. Nilai modulus elastisitas batuan bervariasi dari satu contoh batuan dari satu daerah geologi ke daerah geologi lainnya karena adanya perbedaan dalam hal formasi batuan dan genesa atau mineral pembentuknya. Modulus elastisitas dipengaruhi oleh tipe batuan, porositas, ukuran partikel, dan kandungan air.

4). Nisbah Poisson (Poisson Ratio)

Nisbah Poisson didefinisikan sebagai perbandingan negatif antara regangan lateral dan regangan aksial. Nisbah Poisson menunjukkan adanya pemanjangan ke arah lateral (lateral expansion) akibat adanya tegangan dalam arah aksial.

Gambar 5

Ilustrasi Poisson’s Ratio

Jenis test batuan berdasarkan kerusakan bahan :

1. Non destructive test

Adalah : pengujian tanpa merusak conto misalnya pada pengujian sifat fisik dan ultrasonic velocity test.

2. Destructive test

Adalah pengujian yang mengakibatkan conto batuan rusak atau hancur misalnya pada pengujian kuat tekan, kuat geser, triaxial, point load test.

Sifat fisik batuan berkaitan dengan :

-          rancangan peledakan

-          Perencanaan penambangan

-          Perhitungan beban dan analisis regangan

-          Analisis kemantapan lereng   

Penentuan sifat fisik batuan di laboratorium

1. Penyiapan conto batuan

Di laboratorium dengan core machine, kalau di lapangan dengan core drilling.

     

                        Keterangan  :  H : tinggi conto, biasanya  ≥ 2 d

                                                D : diameter conto 50 mm hingga 70 mm

     2, Penimbangan

            Wn : Berat perconto asli

            Wo : Berat perconto kering (setelah dioven 24 jam, kurang lebih 90 derajad

            Ww : Berat conto jenuh ( setelah dijenuhkan selama 24 jam)

            Wa : Berat conto jenuh + berat air + bejana

            Wb : Berat perconto jenuh tergantung didalam air + berat air + berat bejana

            Ws : Berat perconto jenuh dalam air = Wa – Wb

            Vtp : Volume perconto tanpa pori pori = Wo – Ws

            Vt : Volume perconto total = Ww-Ws

2. Penentuan sifat fisik batuan

- Berat isi air                                        : Mw

- Bobot isi asli (natural density)          : M = Wn/(Ww-Ws)

- Bobot isi kering (dry density)           : Md = Wo/(Ww-Ws)

- Bobot isi jenuh (saturated density)   : Ms = Ww/(Ww-Ws)

- Berat jenis semu (apperent density)  : ρ ap = {Wo /(Ww-Ws)}/ γw

- Berat jenis nyata (true spesifik density) : ρ tr = {Wo /(Wo-Ws)}/ γw

- kadar air asli(natural water content) : (Wn-Wo)/Wo X 100%

- Kadar air jenuh (absorption)             : (Ww-Wo)/Wo X 100%

- Derajad kejenuhan                            : (Wn-Wo)/(Ww-Wo) X 100%

- Porositas                                           : n = (Ww-Wo)/(Ww-Ws) X 100%

- Void ratio                                         : e = n/1-n

Adapun jenis penentuan sifat mekanik di lapangan (insitu test) antara lain ialah :

1. Rock loading test (jacking test)
2. Block shear test
3. Insitu triaxial compression test
4. Hidraulic fracturing

Keuntungan pengujian  insitu :

-          lebih representatif, karena pengujian dilakukan pada kondisi asli dan menyangkut volume batuan yang lebih besar.

Kerugian :

-          Memerlukan waktu lebih lama untuk persiapan dan mobilisasi peralatan

-          Biaya menjadi lebih mahal.

Pengujian di Laboratorium

Pengujian kuat tekan uniaxial

Alat mesin kuat tekan uniaksial

Perlengkapan :             Dial gauge atau strain gauge

                                    Jangka sorong

                                    Squaness gauge

Alat penunjang            : laboratory core machine

                                      Specimen cutting machine

Sifat- sifat dari bahan  (batuan ) didalam menghadapi gaya.

Bila sutau benda padat (batuan)menghadapi deformasi dengan tekanan yang meningkat, maka benda atau bahan itu akan mengalami perubahan melalui 3 fase:

A.    Fase deformasi anyal : yaitu bila gaya berkerja  ditiadakan , mka benda itu akan kembali pada bentuk dan volumenya semula. Jadi dalam hal ini tidak akan terjadi sutau keretakan yang kekal. Dalam keadaan demikian keretakan akan sebanding dengan tegasan.

B.     Fase deformasi plastis: bila tegasan pada benda itu ditingkatkan dan batas anyalnya daripada benda (batuan) itu telah tercapai dan dilampaui maka batuan akan berubah secara kekal.

C.     Kalau tegasan pada batuan kita tingkatkan lagi, maka akhirnya batuan akan mencapai suatu fase dimana batuan itu akan patah, maka akan terjadi suatu gejala patahan. Keadaan batuan dimana ia berada antara atas anyal dan batas ia mulai patah ,benda tersebut berada dalam keradaan “Plastis”.

Faktor-faktor yang mempengaruhi terhadap perubahan pada batuan adalah:

1.      Tekanan penambahan tekanan akan meningkatkan atas elastitentnya.

2.      Suhu ; peningkatan pada suhu akan memperlemah sifta dari batuan, pada suhu yang tinggi batuan akan lebih mudah mengalami perubahan.

3.      Waktu: walaupun tekanan itu lemah (kecil) , tetapi bila ia berjalan / berkerja dalam waktu yang lama sekali pada suatu batuan, mka lama – lama batuan itu akan berubah. Dalam geologi,gejala demikian merupakan peranan yang penting ; umpamanya ; gejala lomgsor.

4.      Adanya gejala pelarutan melalui pori –pori dalam batuan

5.      Inhomogenetes (ketidak seragaman ) dalam susunan lapisan batuan (adanya perlapisan dalam batuan)

1.7 Teori mengenai pembentukan

Rekahan pada batuan

Banyak teori –teori yang dikemukakan untuk menjelaskan terjadinya kekandasan pada bahan bila ia mengalami suatu tekanan, terutama dalam hal pembentukan rekahan-rekahan gerus (shear fractures) dan hubungannya dengan besarnya sudut yang mereka bentuk.

Teori Coulomb Mohr tentang pembentukan rekahan geser (shear failure).

Teori ini mula-mula dikemukakan oleh Coulomb tahun 1773 dan kemudian dilakukan perobahan-perobahan oleh Mohr tahun 1882 dan lainnya. Penjelasan Coulomb Mohr mengenai rekahan ini adalah kira-kira sebagai berikut :

Bila suatu tegasan tekanan (direct stress) dikenakan terhadap suatu batuan,  maka rekahan-rekahan geser akan terjadi dengan arah arah yang sejajar  dengan 2 bidang dimana  tegasan gesernya (shearing stress) bekerja paling maximum, dan pada saat yang sama tegasan normal yang paling kecil.

Pada dasarnya tekanan pada batuan akan menghasilkan 3 (tiga)macam rekahan:

1.       Batuan itu akan pecah-pecah melalui 2 (dua) bidang, yang saling berpotongan (disebut shear planes tadi) dimana sudut perpotongannya yang kecil akan menghadap ke poros utama tegasan(P pada gambar). Yang paling besar akan menghadap ke poros tegasan minimal ( R pada gambar).Sedangkan poros Q akan searah dengan perpotongan kedua bidang patahan tadi.

2.       Tekanan ini akan menimbulkan gaya tegangan pada bidang-bidang tegak lurus pada arah tekanan,Dalam hal ini akan timbul pecah-pecah (rupture) melalui bidang-bidang parallel pada p termasuk Q,sedangkan R tegak lurus padanya. Rekahan    demikian pada batuan disebut “extension fracture” atau juga  disebut cleavage fracture . Di alam dapat disamakan dengan apa yang disebut “tension gashes” tetapi ini biasanya diisi oleh bahan-bahan dari magma dan membentuk gash fracture. Gejala-gejala demikian sangat pentingdalam memberi informasi pada keterakan daripada batuan.

3.       Kalau tekanan P menjadi berkurang  atau hilang sama sekali, maka          pecah-pecah pada batuan rupanya akan terjadi pula, tetapi melalui bidang-bidang pecah yang arahnya tegak lurus pada P, dan rekahan yang demikian disebut “release fracture”.