PENGGUNAAN METODE EMISI AKUSTIK
UNTUK PENENTUAN TEGANGAN IN SITU DI AB TUNNEL
PT FREEPORT INDONESIA
TUGAS AKHIR Sebagai salah satu syarat untuk gelar Sarjana Teknik Pertambangan di Institut Teknologi Bandung
Oleh :
MUHAMMAD INSAN KAMIL 12102036
PROGRAM STUDI TEKNIK PERTAMBANGAN
FAKULTAS TEKNIK PERTAMBANGAN DAN PERMINYAKAN
INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG
2007
LEMBAR PENGESAHAN
PENGGUNAAN METODE EMISI AKUSTIK
UNTUK PENENTUAN TEGANGAN IN SITU DI AB TUNNEL PT
FREEPORT INDONESIA
TUGAS AKHIR
Bandung, Oktober 2007 Disetujui untuk Program Studi Teknik Pertambangan Oleh:
Dr. Ir. Ridho K Wattimena, MT Pembimbing M Insan Kamil
Hidup bukanlah untuk mengeluh dan mengaduh Hidup adalah mengolah hidup Bekerja membalik tanah Memasuki rahasia langit dan samudera, serta mencipta dan mengukir dunia Kita menyandang tugas Karena tugas adalah tugas Bukan hanya demi surga dan neraka, Tetapi demi kehormatan seorang manusia
WS Rendra
Kupersembahkan untuk: Allah S.W.T, Keluargaku dan Bangsaku
RINGKASAN
Salah satu parameter penting dalam perancangan dan penggalian bawah tanah adalah besar dan arah tegangan in situ. Emisi akustik adalah metode untuk menentukan tegangan in situ secara tidak langsung melalui pengujian contoh batuan di laboratorium. Emisi akustik didefinisikan sebagai gelombang elastik frekuensi tinggi yang timbul karena adanya pelepasan energi secara cepat dan teratur oleh satu atau lebih sumber dalam suatu material yang mengalami pembebanan. Uji emisi akustik mendasarkan analisi s pada munculnya efek Kaiser, yaitu suatu emisi akustik yang terdeteksi saat suatu material mengalami pembebanan yang mendekati atau melampaui tingkat tegangan yang pernah dialaminya. Pengujian emisi akustik ini dilakukan pada contoh batuan dari enam buah lubang bor yang memiliki arah dan kemiringan berbeda . Nilai tegangan pada saat efek Kaiser terdeteksi (σKE) pada lubang bor N 329° E / 0°, N 59° E / 5°, N 239° E / 85°, N 282° E / 32°, N 107° E / 39°, dan N 11° E / 39° adalah 32, 24 MPa, 17,5 MPa, 12,81 MPa, 31,98 MPa, 12,65 MPa, dan 31,45 Mpa. Dengan data awal σ KE dan melalui transformasi matriks, akan dapat dihitung nilainilai tegangan yang bekerja pada arah acuan sistem sumbu koordinat kartesian tiga dimensi (σx, σy, σz, τxy, τyz, τxz). Nilai σx, σy, σz, τxy, τyz, dan τxz hasil perhitungan adalah 25 MPa, 24,3 MPa, 13,2 MPa, -8,4 MPa, -6,3 MPa, dan 14,8 MPa. Nilai tegangan utama dihitung berdasarkan persamaan invarian tegangan Brandy & Brown (1985) sebagai berikut : σp3 – I1σp2 + I2σp – I3 = 0 dimana : I1 = σ x + σ y + σ z I2 = σx σy + σy σz + σz σx - (σ2xy + σ2yz + σ2zx) I3 = σx σy σz + 2 σxy σyz σzx – (σx σ2yz + σy σ2zx + σz σ2xy) Sedangkan arah sumbu utama dihitung berdasarkan teori cosinus arah Brady & Brown (1985). Hasil perhitungan nilai dan arah tegangan utama diberikan sebagai berikut : σ1 = 41,4 MPa, dengan arah N 323,38° E / 28,93°
σ2 = 18 MPa, dengan arah N 62,18° E / 15,47°
σ3 = 3,1 MPa, dengan arah N 356,86° E / 303,50°
iv
ABSTRACT
One of the most important parameter in underground designing and excavating process is the value of in situ stress and its direction. Acoustic emission is an indirect method to determine in situ stress by doing laboratory test on rock specimens. Acoustic emission by definition is a high frequency of elastic wave emerged by quick and consistent energy released caused by one or more sources on a material subjected to stress. Analysis of acoustic emission test based on the appearance of Kaiser effect, which is an acoustic emission detected in a material while subjected to stress aproaching or exceeding the stress level experienced before by the material (ASTM E 610 -77). The acoustic emission test was performed to rock specimens taken from six bor holes with orientation and dipping. The stress rate when Kaiser effect occured (σKE) at bor hole N 329° E / 0°, N 59° E / 5°, N 239° E / 85°, N 282° E / 32°, N 107° E / 39°, and N 11° E / 39° are 32,24 MPa, 17,5 MPa, 12,81 MPa, 31,98 MPa, 12,65 MPa, dan 31,45 Mpa. With σ KE defined and through the operation of matrix transformation, t he stress components acting on three dimensional Cartesian system of coordinate axis ( σx, σy, σz, τxz, τyx, τzy) will be able to calculate. The result of calculation for σx, σy, σz, τxy, τyz, and τxz given as follow 25 MPa, 24,3 MPa, 13,2 MPa, -8,4 MPa, -6,3 MPa, dan 14,8 MPa. The value of principal stress calculated by Brady & Brown stress invariant equation given below (Brady & Brown, 1985) : σp3 – I1σp2 + I2σp – I3 = 0 where : I1 = σxx + σyy + σzz I2 = σxx σyy + σyy σzz + σzz σxx - (σ2xy + σ2yz + σ2zx) I3 = σxx σyy σzz + 2 σxy σyz σzx – (σxx σ2yz + σyy σ2zx + σzz σ2xy) While the direction of principal axis calculated by Brady & Brown equation of direction cosines (1985). The calculation result of principal stress value and principal axis direction are : σ1 = 41,4 MPa, dengan arah N 323,38° E / 28,93°
σ2 = 18 MPa, dengan arah N 62,18° E / 15,47°
σ3 = 3,1 MPa, dengan arah N 356,86° E / 303,50°
iii
KATA PENGANTAR
Pertama-tama penulis panjatkan puji syukur ke hadirat Allah SWT yang telah melimpahkan karunia-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan laporan tugas akhir ini tepat waktu. Tugas akhir ini adalah salah satu syarat untuk dapat meraih gelar sarjana teknik di Program Studi Teknik Pertambangan Institut Teknologi Bandung. Tugas akhir ini penulis lakukan di Laboratorium Geomekanika Fakultas Teknik Pertambangan dan Perminyakan.
Pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan terima kasih kepada pih ak-pihak yang telah membantu penulis dalam pelaksanaan tugas akhir dan penyusunan laporan selama ini, yaitu kepada : 1. Keluarga penulis tercinta : Mamah dan Papah yang tanpa kenal lelah senantiasa berusaha memberikan yang terbaik bagi penulis, terimakasih a tas doa dan kasih sayangnya dari dulu, sekarang, dan sampai nanti. Nenek tersayang, Ni Incu, yang kasih sayangnya telah mewarnai hidup penulis delapan tahun terakhir. Neng Nisa dan De Irfan, adik-adikku yang telah memberikan dukungan yang sangat berarti. 2. Dr. Ir. Ridho Kresna Wattimena selaku dosen pembimbing yang telah banyak membantu penulis dalam pelaksanaan tugas akhir. 3. Dr. Ir.Budi Sulistianto MT. selaku Ketua Program Studi Teknik Pertambangan Institut Teknologi Bandung. 4. Prof. Dr. Ir. Rudy Sayoga Gautam a, selaku Ketua Kelompok Keahlian Tambang Umum 5. Dr. Ing. Ir. Aryo Prawoto Wibowo M.Eng, selaku Dosen Wali yang telah memberikan bimbingan selama penulis berkuliah di Program Studi Teknik Pertambangan . 6. Dr. Ir. Suseno Kramadibrata M.Sc. yang telah banyak memb erikan bantuan dalam proses penulisan tugas akhir ini. 7. Seluruh Dosen Pengajar Departemen Teknik Pertambangan Institut Teknologi Bandung atas semua ilmu yang telah diberikan.
iii
8. Keluarga besar penulis yang telah banyak memberikan masukan selama ini, Mang Ibub, Tante Farda, serta Yahya, Ifa, dan Karima. Mang Iop, Mang Ade, dan Tante Ine. Juga Mang Ageung, Tante Aini, dan De Agam. Serta seluruh keluarga besar penulis yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu karena media penulisan yang terbatas . Terimakasih atas doanya. 9. Mas Ginting dan Mas Udin yang telah banyak membantu dalam pengolahan data laporan akhir penulis. Pak Dibyo yang tanpa tenaga dan keahliannya, penelitian ini tidak akan selesai. Kang Iwan, atas kepercayaannya meminjamkan kunci. Terimaksih semua. 10. Teman-teman seperjuangan di Laboratorium Geomekanika : Ardian Rosadi B., Donald Sihombing, Achmad Rizky ( Nuhun pisan Bos, Nald, Moy, Can’t survive without you, hehehe). Teman-teman Teknik Pertambangan angkatan 2002 : Andri Abdullah, Ahmad Jafnie Neezom, Drajat Duta Subantara, Andrey K, M. Choldun MS, Titus Deus, Jimmy Ginting, Andri Kusmawan, Kresno Adi, Edward Petrus, Ranto Bagus dan teman-teman lain yang tidak dapat disebut satu persatu. All for one 2002. 11. Teman-teman loteng : Pisko Arisandi, Fiksi Sast rakencana, Fathir Shalihat, dan Rizky Rinaldi Wandaru. Terimakasih atas keceriaan dan kegilaan hidup selama ini mates . Homogen forever, friends, hehehehe. 12. Kawan-kawan penghuni mekbat : Yudhi, Peter, Akbar, Eeng, Gepe, Simon dan Atmo. 13. Himpunan Mahasiswa Tambang ITB 14. Semua pihak yang tidak dapat disebutkan satu persatu yang telah membantu penulis baik secara langsung maunpun tidak langsung.
Penulis menyadari bahwa laporan ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu semua kritik dan saran yang bersifat mem bangun sangat diharapkan. Semoga laporan tugas akhir yang penulis susun dapat bermanfaat. Bandung, Oktober 2007
Penulis iv
DAFTAR ISI
HALAMAN
ABSTRACT .......................................................................................................
iii
RINGKASAN .....................................................................................................
iv
KATA PENGANTAR.........................................................................................
v
DAFTAR ISI ......................................................................................................
vii
DAFTAR GAMBAR ..........................................................................................
x
DAFTAR TABEL ...............................................................................................
xii
DAFTAR LAMPIRAN .......................................................................................
xiii
BAB I
PENDAHULUAN ............................................................................
I-1
1.1
Latar Belakang Masalah .........................................................
I-1
1.2
Tujuan Penelitian ..................................................................
I-2
1.3
Manfaat Penelitian ................................................................
I-3
1.4
Metodologi Penelitian ............................................................
I-3
BAB II
LATAR BELAKANG TEORI ..........................................................
II-1
2.1.
Tegangan In Situ ...................................................................
II-1
2.1.1
Pengertian Umum ......................................................
II-1
2.1.2
Transformasi Tegangan ..............................................
II-4
2.1.3
Tegangan Prinsipal ....................................................
II-9
2.1.4
Faktor-faktor yang Mempengaruhi Tegangan In Situ .
II-11
Penentuan Tegangan In Situ ..................................................
II-13
2.2.1
Pendekatan Teoritis ...................................................
II-13
2.2.2
Pengukuran Tegangan In Situ Melalui Pengujian .......
II-19
Emisi Akustik ........................................................................
II-21
2.3.1
Sumber-sumber Emisi Akustik Pada Contoh Batuan ..
II-22
2.3.2
Efek Kaiser ................................................................
II-22
2.2.
2.3.
vii
2.3.3
2.3.4 2.4. BAB III
BAB IV
Pola Kurva Emisi Akustik Menurut Mogi (1962) dan Boyce (1981) .............................................................
II-23
Noise .........................................................................
II-26
Perhitungan Tegangan In Situ den gan Metode Emisi Akustik
II-26
PELAKSANAAN PENGUJIAN ....................................................... 3.1 Pengeboran dan Preparasi Contoh Batuan ..............................
III-1
III-1
3.2
Uji Sifat Fisik ........................................................................
III-3
3.3
Uji Sifat Mekanik ..................................................................
III-4
3.4
Uji Emisi Akustik ..................................................................
III-5
3.4.1
Peralatan ....................................................................
III-5
3.4.2
Persiapan Uji Emisi Akustik ......................................
III-6
3.4.3
Akusisi Data Uji Emisi Akustik ................................
III-8
PENGOLAHAN DATA DAN PEMBAHASAN ..............................
IV-1
4.1.
Uji Sifat Fisik ........................................................................
IV-1
4.2.
Uji Kuat Tekan ......................................................................
IV-2
4.3.
Uji Emisi Akustik ..................................................................
IV-4
4.3.1. Grafik Keluaran Uji Emisi Akustik Menggunakan
4.4.
4.5.
4.6.
BAB V
Mistras 2001 ..............................................................
IV-4
4.3.2. Penentuan Efek Kaiser Secara Grafis .........................
IV-6
Perhitungan Tegangan In Situ ................................................
IV-7
4.4.1. Data Masukan ............................................................
IV-7
4.4.2. Penentuan Cosinus Arah Contoh Batuan ....................
IV-8
4.4.3. Pembentukan Persamaan Matriks dan Perhitungan .....
IV-9
Penentuan Nilai dan Arah Tegangan Utama ...........................
IV-11
4.5.1. Perhitungan Nilai Tegangan Utama ............................
IV-11
4.5.2. Penentuan Arah Sumbu Utama ..................................
IV-12
Pembahasan ..........................................................................
IV-15
KESIMPULAN DAN SARAN .........................................................
V-1
5.1.
V-1
Kesimpulan ...........................................................................
viii
5.2.
Saran .....................................................................................
V-1
DAFTAR PUSTAKA .........................................................................................
xiv
LAMPIRAN
ix
DAFTAR TABEL
TABEL
HALAMAN
3.1
Data Arah Contoh Batuan Uji Emisi Akustik ...................................
3.2
Ketentuan dan Persyaratan Ukuran Contoh untuk Uji Laboratorium
III-2
Menurut Standar ASTM D 3967 -86 dan ISRM (1985) .....................
III-3
4.1
Hasil Uji Sifat Fisik Batuan ...............................................................
IV-2
4.2
Nilai σKE Rata-rata dan Orientasi Setiap Contoh Batuan ...................
IV-7
4.3
Cosinus Arah Contoh Batuan ............................................................
IV-9
4.4
Nilai Tegangan Utama dan Orientasi Sumbu Utama .........................
IV-14
xii
DAFTAR GAMBAR
GAMBAR
HALAMAN
1.1
Bagan Alir Penelitian .............................................................................
I-4
2.1
Kondisi Tegangan Pada Sisi-sisi Suatu Kubus Massa Batuan ..............
II-2
2.2
Analisis Tegangan Pada Sebuah Tetrahedron OABC (Brady & Brown, 1985) .............................................................
2.3
Pengukuran Tegangan Vertikal pada Kedalaman Tertentu di Bawah Permukaan Bumi (Hoek & Brown, 1980) .................................
2.4
II-5
II-14
Variasi Perbandingan Antara Tegangan Horisontal dan Tegangan Vertikal Pada Kedalaman Tertentu di Bawah Permukaan Bumi (Hoek & Brown, 1980) ..........................................................................
2.5
II-16
Rasio Tegangan Sebagai Fungsi Kedalaman Versi Hoek & Brown Vs Herget Pada Beberapa Lokasi di Kanada (Herget, 1988) .................
II-17
2.6
Peta Tegangan In Situ di Seluruh Dunia ...............................................
II-19
2.7
Skema Rangkaian Pengujian Emisi Akustik .........................................
II-21
2.8
Efek Kaiser Pada Kurva Hasil Uji Emisi Akust ik .................................
II-23
2.9
Modifikasi Grafik Karakteris tik Reaksi Emisi Akustik Berhubungan Dengan Lima Daerah Perilaku Deformasi Bieniawski (Holcomb, 1993) .................................................................
II-24
2.10 Pola Kurva Emisi Akustik (Boyce, 1981) ..............................................
II-25
2.11 Sistem Koordinat Lingkaran (r, Φ, θ) ....................................................
II-28
x
3.1
Pengeboran Contoh Batuan ...................................................................
III-1
3.2
Mesin Bor ..............................................................................................
III-2
3.3
Peralatan Uji Emisi Akustik ..................................................................
III-6
4.1
Kurva Tegangan-Regangan ...................................................................
IV-3
4.2
Berbagai Grafik Keluaran Program Mistras 2001 .................................
IV-4
4.3
Grafik Hits vs Gaya Keluaran Program Mistras 2001 ...........................
IV-5
4.4
Pembacaan Efek Kaiser Secara Grafis ..................................................
IV-6
xi
DAFTAR LAMPIRAN
LAMPIRAN
HALAMAN
Lampiran A : Data sifat fisik ....................................................................... A-1
Lampiran B : Data sifat mekanik ................................................................. B-1
Lampiran C : Data uji emisi akustik ............................................................
C-1
xiii
