Teknik Peledakan

TEORI TEKNIK PELEDAKAN

1. Distribusi energi peledakan

Bahan peledak kimia adalah senyawa kimia atau campuran senyawa kimia yang

apabila dikenakan panas, benturan, gesekan, atau kejutan (shock) secara cepat

dengan sendirinya akan bereaksi dan terurai (exothermic decomposition).

Penguraian ini menghasilkan produk yang lebih stabil, umumnya berupa gas-gas

bertekanan tinggi yang mengembang pada suhu tinggi akibat panas yang

dihasilkan dari reaksi eksothermis. Besarnya tenaga yang dihasilkan suatu bahan

peledak terutama tergantung pada jumlah panas yang dihasilkan selama

peledakan.

Terdapat dua macam istilah untuk reaksi yang terjadi pada bahan peledak kimia,

yaitu:

a. Detonasi (detonation)

Detonasi merupakan proses penyebaran atau propagasi gelombang kejut

(shock wave) melalui kolom bahan peledak yang diikuti oleh yang menambah

energi untuk memacu penyebaran gelombang kejut, disusul oleh

pembentukan gas dalam waktu sangat singkat. Reaksi kimia yang terjadi

pada bahan peledak dengan kecepatan reaksi yang lebih tinggi dibanding

kecepatan suara dan menyebabkan shattering effects.

b. Deflagrasi (deflagration)

Merupakan reaksi pembakaran yang berlangsung secara amat cepat

(berkecepatan tinggi), sehingga mengakibatkan pembentukan gas-gas dan

meningkatnya tekanan selama proses pembakaran berlangsung. Ekspansi

tekanan ini menghasilkan efek pengangkatan (heaving effect), yang besarnya

sebanding dengan proses pembakaran yang terjadi. Reaksi deflagrasi ini

merupakan ciri bahan peledak lemah (low explosive).

Energi bahan peledak ditimbulkan karena adanya reaksi eksotermis pada saat

terjadi reaksi kimia antara bahan-bahan penyusun bahan peledak menjadi gas-

gas dalam waktu yang sangat singkat melalui penyalaan oleh suatu inisiator

(primer). Energi yang dilepaskan tersebut tidak dapat terkonsentrasi sepenuhnya

Modul ”Teori Peledakan” 1

ENERGI PELEDAKAN(EXPLOSIVE ENERGY)

ENERGI TERPAKAI(WORK ENERGY)

ENERGI TAK TERPAKAI(WASTE ENERGY)

ENERGI KEJUT(SHOCK ENERGY)

ENERGI GAS(GAS ENERGY)

ENERGI PANAS(HEAT ENERGY)

ENERGI SINAR(LIGHT ENERGY)

ENERGI SUARA(SOUND ENERGY)

ENERGI SEISMIK(SEISMIC ENERGY)

untuk menghancurkan massa batuan (membentuk fragmentasi), tetapi terbagi

dalam beberapa jenis energi yang terdistribusi menjadi dua bagian besar, yaitu

energi terpakai (work energy) dan energi tak terpakai (waste energy) (lihat

Gambar 1.1). Energi terpakai maksudnya adalah energi yang menimbulkan

tenaga untuk menghancurkan batuan pada proses peledakan, sedangkan energi

tak terpakai adalah energi yang tidak berperan secara langsung dalam proses

penghancuran batuan, bahkan dalam kondisi tertentu terkonversi menjadi energi

yang merugikan operasional peledakan serta lingkungan di sekitar peledakan.

Gambar 1.1. Distribusi energi yang dihasilkan peledakan


Cartridge bahan peledak lemah Cartridge bahan peledak kuat

Batas reaksi Batas reaksi

Teka

nan Energi gas

Teka

nan

Energi gas

Energi kejut

(a) Bahan peledak lemah (b) Bahan peledak kuat

2. Energi terpakai (work energy)

Terdapat dua jenis produk energi terpakai, yaitu energi kejut dan energi gas.

Ditinjau dari aspek pemanfaatannya, bahan peledak yang memiliki enegi kejut

yang tinggi dapat diterapkan dalam proses peledakan bongkah batu (boulder)

dengan metode mud capping boulders yang disebut juga plaster shooting atau

untuk proses peruntuhan bangunan (demolition). Dengan demikian energi kejut

secara efektif akan terlihat pada peledakan dengan menggunakan metode

external charge atau muatan di luar lubang tembak. Sedangkan pada kolom

lubang ledak dengan bahan peledak didalamnya disumbat atau dikurung rapat

oleh material penyumbat (stemming), maka digunakan bahan peledak yang

memiliki energi gas yang tinggi.

Ditinjau dari aspek reaksinya, dapat dilihat dari sifat reaksi bahan peledak lemah

(low explosives) dan bahan peledak kuat (high explosives). Reaksi bahan peledak

lemah adalah deflagrasi atau rambatan pembakaran secara cepat dengan

kecepatan rambat antara 600 - 1200 m/s (2000 – 4000 f/s). Bahan peledak ini

tidak menghasilkan energi kejut, tetapi hanya menghasilkan tenaga dari rambatan

ekspansi gas, contohnya adalah black powder yang merupakan campuran antara

potasium nitrat atau sodium nitrat, sulphur, dan charcoal. Sementara reaksi bahan

peledak kuat adalah detonasi atau meledak dan menghasilkan tenaga dalam

bentuk tekanan kejut maupun tekanan dari ekspansi gas. Gambar 1.2

memperlihatkan perbedaan prilaku reaksi peledakan cartridge bahan peledak

lemah dan kuat.

Gambar 1.2. Perilaku reaksi peledakan bahan peledak lemah dan kuat


Pada Gambar 1.2.a terlihat diagram profil tekanan hasil reaksi peledakan bahan

peledak lemah. Setelah sebagian cartridge meledak atau bereaksi, akan terbentuk

profile tekanan maksimum yang konstan sampai garis batas antara bagian

cartridge yang telah bereaksi dan yang belum terganggu. Peristiwa ini

membuktikan bahwa peledakan bahan peledak lemah hanya menghasilkan

tekanan gas selama proses reaksi pembakaran. Energi gas pada saat proses

peledakan atau pembakaran (deflagrasi) lebih besar dibanding dengan energi gas

yang dilepaskan.

Sementara hasil reaksi pada peledakan bahan peledak kuat memperlihatkan

perilaku tekanan yang sangat berbeda dengan bahan peledak lemah (lihat

Gambar 1.2.b). Pada garis batas reaksi terlihat profil tekanan kejut sebelum energi

gas dilepaskan. Energi kejut umumnya menghasilkan tekanan yang lebih besar

dibanding tekanan gas, tetapi hanya terjadi dalam waktu yang singkat, jadi

peristiwa reaksi peledakan pada bahan peledak kuat diawali oleh terbentuknya

energi kejut yang tinggi dalam waktu sangat singkat, setelah itu diikuti oleh

pelepasan energi gas. Tekanan kejut merupakan tekanan yang bersifat sementara

(transient) yang terjadi saat ledakan berlangsung dan besar tekanan ini

diperkirakan 15% dari total energi terpakai, sedangkan 85% lagi merupakan

tekanan gas. Energi gas menghasilkan gaya tekanan konstan hingga batas bahan

peledak di dalam kolom lubang ledak, sampai kemudian lubang ledak hancur.

3. Energi kejut (shock energy)

Energi kejut adalah energi yang ditransmisikan terhadap batuan sebagai akibat

dari tekanan detonasi bahan peledak. Tekanan detonasi adalah fungsi dari

densitas bahan peledak kali kuadrat kecepatan reaksi bahan peledak yang

hasilnya merupakan energi kinetik. Tekanan detonasi atau tekanan ledak dibentuk

oleh rambatan atau propagasi gelombang detonasi sepanjang kolom bahan

peledak.

Cukup sulit untuk merumuskan besarnya tekanan detonasi karena adanya

perbedaan simbul matematis yang pada akhirnya terjadi perbedaan jawaban.

Namun demikian, besar tekanan detonasi akibat reaksi kimia dalam proses

peladakan dapat diestimasi menggunakan persamaan:


Lumpur(plaster)

Cartridge dengan bagian sisisejajar permukaan batu

B o u l d e r

Detonator

Lumpur(plaster)

Cartridge yang salah satuujungnya bersentuhan

dengan permukaan batu

B o u l d e r

detonator

(a)

(b)

(1.1)

Di mana: P = tekanan detonasi, kbar (1 Kbar = 14,504 psi = 1,02 kg/cm2 )

SGe = berat jenis bahan peledak

Ve = kecepatan detonasi, ft/sec

Tekanan detonasi maksimum terjadi pada arah aliran gelombang kejut dan pada

bahan peledak cartridge dimana posisi tekanannya berlawanan arah dengan arah

inisiasi peledakan. Pada bagian sisi cartridge, tekanan detonasi mendekati nol

sepanjang gelombang detonasi tidak melebihi bagian ujung cartridge. Untuk

mendapatkan efek tekanan detonasi maksimum dari bahan peledak (cartridge),

maka inisiasi bahan peledak sebaiknya dilakukan pada salah satu ujung yang

berlawanan arah terhadap bagian ujung lain yang kontak dengan material atau

batuan (Gambar 1.3.b). Permukaan material yang sejajar dengan bagian sisi

cartridge akan menerima efek tekanan detonasi kecil (Gambar 1.3.a), namun

demikian, material akan hancur karena dampak yang disebabkan oleh ekspansi

gas secara radial setelah gelombang detonasi berlangsung.

Gambar 1.3. Metode mud capping boulders


P= 4,18 x 10−7 x SGe x Ve 2

(1+0,8 SGe )

Untuk memaksimalkan penggunaan tekanan detonasi diperlukan juga

memaksimalkan daerah kontak antara bahan peledak dengan bahan galian.

Proses peledakan dapat dipicu pada ujung yang berlawanan dengan daerah

kontak bahan galian yang akan diledakkan (lihat Gambar 1.3). Bahan peledak

yang digunakan harus bertekanan dan berdensitas tinggi. Perpaduan antara

kekuatan detonasi dan densitas yang tinggi akan menghasilkan tekanan ledak

yang tinggi pula. Besar tekanannya dapat dihitung menggunakan rumus (1.1).

4. Energi gas (gas energy)

Energi gas hasil proses peledakan adalah tekanan dari ekspansi gas yang

menerobos dinding lubang ledak setelah reaksi kimia peledakan selesai. Energi

gas yang dilepaskan selama proses detonasi tersebut merupakan penyebab

utama pecahnya batuan. Tekanan gas, disebut juga dengan tekanan ledak,

dipengaruhi oleh temperatur reaksi dan volume gas yang dibebaskan pada saat

terjadinya reaksi yang besarnya diperkirakan satu setengah kali tekanan detonasi.

Besarnya tekanan ledakan berhubungan langsung dengan volume gas per unit

berat bahan peledak dan besarnya jumlah panas yang dikeluarkan selama proses

reaksi kimia berlangsung. Semakin tinggi temperatur reaksinya pada keadaan

volume gas yang konstan, maka akan semakin tinggi tekanan gasnya. Semakin

banyak volume gas yang dikeluarkan pada temperatur yang sama, maka

tekanannya akan semakin meningkat. Tekanan ledak dapat diukur melalui uji

ledakan bawah air atau underwater test.

5. Energi tak terpakai (waste energy)

Reaksi peledakan disamping menghasilkan energi yang mampu menghancurkan

batuan, juga akan selalu menghasilkan energi yang tidak berkaitan langsung

dengan tujuan penghancuran batuan, bahkan akan memberi dampak negatif

terhadap lingkungan. Energi yang tidak berkaitan langsung dengan proses

penghancuran batuan dikelompokkan ke dalam “energi tak terpakai” atau waste

energy. Jenis energi tak terpakai adalah energi panas, energi suara, energi

sinar/cahaya dan energi seismik (lihat Gambar 1.1).


Kelompok energi tidak terpakai terbentuk oleh adanya deformasi elastis dan

plastis batuan dari energi peledakan. Energi peledakan yang mengakibatkan

terjadinya deformasi elastis akan menghasilkan gelombang regangan, disebut

juga stress waves atau body waves, yang bergerak melalui massa batuan dan

dapat menyebabkan retakan lanjutan akibat pantulan energi dari bidang

diskontinuitas. Deformasi elastis juga menyebabkan gelombang seismik yang

cukup mengganggu, karena gelombang seismik ini pada tingkatan tertentu akan

dapat merusak bangunan dan mengganggu manusia.

6. Energi panas (heat energy)

Reaksi kimia yang terjadi pada bahan peledak bersifat eksotermis, yaitu suatu

reaksi yang menghasilkan panas. Pada peledakan dengan reaksi kimia yang

menghasilkan zero oxygen balance akan diperoleh temperatur panas sebesar

2980 K pada tekanan 760 mm Hg.

7. Energi sinar (light energy)

Energi sinar merupakan salah satu produk yang dihasilkan dari reaksi kimia bahan

peledak pada saat inisiasi atau penyalaan (diledakkan). Kontribusi energi untuk

menimbulkan kilatan sinar ini relatif kecil dan cahaya yang dihasilkan tidak

membahayakan.

8. Energi suara (sound energy)

Hampir semua peristiwa peledakan menghasilkan suara, kontribusi energi

peledakan untuk menimbulkan suara jumlahnya cukup besar. Pada keadaan

normal, suara peledakan dapat mencapai 140 dB yang merupakan batas ambang

peledakan yang tidak menimbulkan kerusakan material atau aman bagi

infrastruktur, peralatan dan lain-lain.

Peledakan menghasilkan gelombang suara yang terdengar sebagai ledakan.

Peledakan juga menghasilkan suara bias yang tidak terdengar. Suara merupakan

energi transmisi yang merambat melalui atmosfer, bila tidak ada atmosfer maka

tidak akan ada suara. Suara tidak akan ditransmisikan pada ruang hampa udara

karena suara memerlukan media transmisi untuk menghantarkan gelombangnya.


Arah gelombang

Arah gelombang

(a) Gelombang tekan

(b) Gelombang geser

Suara peledakan mewakili energi tak terpakai yang mirip dengan energi seismik

karena energi ini tidak dapat memecah batuan. Dari bentuk fisiknya, atmosfer

merupakan fluida yang tetap bertahan pada perubahan volume, namun tidak

tahan pada perubahan bentuk. Gelombang suara mempunyai elastisitas volume

tetapi tidak mempunyai elastisitas memotong. Karena itu semua jenis fluida,

termasuk udara, merupakan media transmisi untuk gelombang datar atau tekan

(compressional waves) dan tidak untuk gelombang tegak (shear waves) yang

bersifat naik turun (lihat Gambar 1.4).

Gambar 1.4. Tipikal gerakan gelombang tekan dan geser

Kecepatan suara merupakan fungsi temperatur, jika temperatur udara berkurang

maka kecepatan suara akan berkurang pula. Hal ini menjadikan beban yang

signifikan terhadap suara yang merambat melalui atmosfer dan terkadang

menyebabkan arah suara akan berubah serta terjadinya konsentrasi energi. Pada

kondisi normal, kecepatan suara sebesar ± 330 m/det (1.000 ft/sec). Energi suara

ini terjadi pada saat:

(1) batuan terpecah dan tekanan gas dalam lubang ledak terlepas ke udara

bebas/atmosfer;

(2) penyumbat bahan peledak terlepas (3) permukaan batuan bergeser, dan (4)

pada saat terjadi pergeseran di sekitar lubang ledak. Salah satu atau semua

keadaan tersebut dapat terjadi saat peledakan berlangsung.


9. Energi seismik (seismic energy)

Energi seismik menghasilkan gelombang yang merupakan transmisi energi

melalui massa batuan yang solid. Gelombang inilah yang menyebabkan getaran

peledakan yang dapat dirasakan manusia dan dapat merusak bangunan.

Peledakan yang diatur dan diperhitungkan dengan seksama dapat mengurangi

efek gelombang seismik. Oleh sebab itu sasaran peledakan tidak saja

terkonsentrasi pada fragmentasi batuan, tetapi juga perlu diasosiasikan untuk

meminimalkan energi tak terpakai, diantaranya energi seismik.

Terdapat dua jenis gelombang seismik, yaitu gelombang badan (body waves) dan

gelombang permukaan (surface wave). Disebut gelombang badan karena

gelombang ini merambat ke sepanjang batuan serta menembus massa batuan.

Gelombang badan ada dua jenis, yaitu gelombang tekan (compressional waves)

dan gelombang geser (shear waves) seperti prilaku gelombang suara dan

bentuknya seperti terlihat pada Gambar 1.4.a dan 1.4.b.

a. Gelombang tekan disebut juga gelombang primer (P-waves) menghasilkan

gerakan partikel tekan-tarik secara bergantian yang akan menghasilkan

kompresi dan dilatasi dan merambat serta bergetar searah dengan

perambatan gelombang.

b. Gelombang geser disebut juga gelombang sekunder (S-waves) adalah

gelombang tegak (transversal) yang menghasilkan getaran partikel naik-turun

dengan arah tegak lurus perambatan gelombang.

Gelombang permukaan merambat di luar lapisan atau dipermukaan batuan dan

tidak menembus lapisan massa batuan. Gelombang ini akan terbentuk apabila

gelombang badan menemukan permukaan bebas dan mengalami mengalami

refleksi. Terdapat dua jenis gelombang permukaan, yaitu:

a. Gelombang Reyleigh (R-waves), yaitu gerakan partikel berputar mundur

(retograde circular motion) membuat lapisan eliptis pada bidang vertikal

sejajar arah perambatan gelombang (Gambar 1.5.a).

b. Gelombang Love (Q-waves), yaitu gerakan partikel tegak lurus dengan arah

perambatan gelombang (Gambar 1.5.b).


(b) Gelombang Love(a) Gelombang Rayleigh

Gambar 1.5. Tipikal gerakan gelombang Rayleigh dan Love

Masalah getaran jadi meningkat seiring dengan peningkatan penggunaan bahan

peledak, hal ini berarti bahwa proses peledakan menghasilkan gelombang seismik

yang cukup kuat sehingga getarannya dapat terasa. Walaupun diketahui getaran

muncul tidak hanya oleh peledakan karena terdapat pula aktivitas lain yang dapat

meninmbulkan getaran, misalnya kegiatan penempaan besi, pengepresan berat,

dan kegiatan konstruksi seperti pemasangan tiang pancang, pembongkaran aspal

dan beton, dan lain-lain. Masyarakat terasa terganggu, risau, dan bahkan

ketakutan pada saat mereka merasakan getaran tersebut, hal ini menimbulkan

masalah yang harus diatasi.

10. Perhitungan energi dan keseimbangan oksigen

Energi maksimal suatu bahan peledak tergantung pada komposisi kimia

pembentuk bahan peledak tersebut dan hasil reaksinya. Setiap unsur kimia, baik

tunggal maupun campuran, memiliki energi bawaan yang mempengaruhi energi

maksimum peledakan. Campuran unsur-unsur kimia pembentuk bahan peledak

yang seimbang akan menghasilkan energi peledakan maksimum dan

keseimbangan reaksi peledakan diukur oleh tingkat kecukupan unsur oksigen di

dalam campuran tersebut.

a. Perhitungan energi

Untuk mengestimasi energi yang dilepaskan dari hasil peledakan harus dianggap

bahwa energi tersebut sepenuhnya diperoleh dari hasil reaksi peledakan tersebut


dan tidak terdapat energi tambahan dari luar. Reaksi setiap unsur pembentuk

bahan peledak juga diasumsikan merupakan reaksi yang ideal. Karena tekanan

merupakan fungsi langsung dari jumlah molekul dan temperatur gas, maka energi

potensial peledakan berhubungan langsung juga dengan jumlah panas yang

dilepaskan (Qe).

Panas yang dilepaskan adalah perbedaan antara total panas formasi produk atau

hasil reaksi (Qp) dengan total panas formasi reaktan (Qr), jadi:

(1.2)

Dimana: Qe = panas ledakan

Qp = panas pembentukan produk

Qr = panas pembentukan reaktan

Formasi panas beberapa unsur dan senyawa kimia terlihat pada Tabel 1.1.

Tabel 1.1. Formasi panas beberapa senyawa kimia

SENYAWA RUMUSBERAT

MOLEKULQp atau Qr,

Kcal/Mol

Corundum AL2O3 102.0 -399.1Fuel Oil CH2 14.0 -7.0Nitromethane CH3O2N 61.0 -21.3Nitroglycerin C3H5O9N3 227.1 -82.7PETN C5H8O12N4 316.1 -123.0TNT C7H5O6N3 227.1 -13.0Carbon monoxide CO 28.0 -26.4Carbon dioxide CO2 44.0 -94.1Water H2O 18.0 -57.8Ammonium Nitrate N2H4O3 80.1 -87.3Aluminium AL 27.0 0.0Carbon C 12.0 0.0Nitrogen N2 14.0 0.0Nitrogen oxide NO 30.0 21.6Nitrogen dioxide NO2 46.0 8.1


Qe=Qp−Qr

Contoh 1: Panas yang dihasilkan Ammonium Nitrate dan Fuel Oil (ANFO)

Reaksi: 3N2H4O3 + CH2 CO2 + 7H2O + 3N2

(a) Perhitungan kalori panas:

3N2H4O3 + CH2 = Reaktan

3(-87,3) + (-7) = Panas pembentukan reaktan

-268,9 Kcal = Qr

CO2 + 7H2O + 3N2 = Produkta

-94.1 + 7(-57,8) + 3(0) = Panas pembentukan produk

-498,7 Kcal = Qp

Qp – Qr = Qe (Panas peledakan)

-498,7 – (-268,9) = -229,8 Kcal = Qe

(b) Perhitungan berat molekul:

3N2H4O3 + CH2 = 3(80,1 gr) + (14 gr) = 254,3 gr

(c) Panas peledakan (Kcal/Kg):

Contoh 2 : Panas yang dihasilkan oleh underfueled ANFO

Reaksi: 6N2H4O3 + CH2 CO2 + 13H2O + 5N2 + NO+ NO2

(a) Perhitungan kalori panas:

6N2H4O3 + CH2 = Reaktan

6(-87,3) + (-7) = Panas formasi reaktan

-530.8 Kcal = Qr

CO2 + 13H2O + 5N2 + NO+ NO2 = Produkta

(-94.1)+ 13(-57,8) + 5(0) + (21.6)+ (8.1) = Panas formasi produkta

-815,8 Kcal = Qp


-815,8 – (-530.8) = -285 Kcal = Qe

(b) Perhitungan berat molekul:


−229,8 Kcal254,3 gr

x1000 grKg

=−903,7 Kcal / Kg

6 N2H4O3 + CH2 = 6(80,1 gr) + 14 gr = 494,6 gr

(c) Panas peledakan (Kcal/Kg):

b. Keseimbangan oksigen (oxygen balance)

Jumlah relatif oksigen di dalam bahan peledak secara kuantitatif dinyatakan

sebagai keseimbangan oksigen (oksigen balance). Mengacu pada proses oksidasi

bahan peledak CcHhNnOo, terlihat bahwa untuk membakar seluruh karbon menjadi

CO2, maka jumlah atom oksigen yang diperlukan adalah dua kali jumlah atom

karbon. Demikian pula, untuk membakar seluruh hidrogen menjadi H2O, maka

akan diperlukan satu atom oksigen untuk setiap pasang (dua) atom hidrogen.

Dengan demikian agar terjadi keseimbangan diperlukan atom oksigen 2c + h/2.

Bila terdapat sejumlah o atom oksigen pada bahan peledak atau reaktan, maka

rumus untuk mengukur keseimbangan oksigen (oksigen balance) molekulnya

adalah:


−285 Kcal494,6 gr

x1000 grKg

=−576,2 Kcal / Kg

OB = o − 2c − h2

( 1.3)

Apabila hasil perhitungan persamaan (1.3) negatif, maka bahan peledak

kekurangan oksigen untuk menyelesaikan reaksi pembakaran atau detonasinya

dan tergolong underoxidized. Apabila O pada suatu bahan peledak lebih besar

dibanding (2c + h/2), perhitungannya akan positif. Artinya pada reaksi tersebut

tersedia lebih dari cukup atom oksigen untuk proses pembakaran atau detonasi

dan bahan peledak tergolong overoxidized.

Keseimbangan oksigen (OB) dihitung berdasarkan prosen berat oksigen

dibanding dengan berat molekul bahan peledak dikalikan [o – (2c + h/2)]. Jadi

rumus umumnya dapat dituliskan sebagai berikut:

(1.4)

Berat atom oksigen adalah 16, maka persamaan (1.4) menjadi:

(1.5)

Untuk menghitung berat molekul bahan peledak CHNO perlu diketahui berat atom

masing-masing unsur atau elemen dikalikan jumlah atomnya. Dengan

menggunakan Tabel 1.2 dapat dihitung berat molekul bahan peledak secara

umum, yaitu:

(1.6)

Tabel 1.2. Berat atom elemen-elemen bahan peledak

Elemen KimiaBerat Atom

Nama Simbol

Karbon C 12,010

Hidrogen H 1,008

Nitrogen N 14,008

Oksigen O 16,000

Kalsium Ca 10,060

Air raksa (Mercury) Hg 200,610


OB=100 BAO

BMexp

[o−(2c+h/2 )]

OB (% )= 1600BMexp

[o−(2c+h/2 )]

BMexp=12,01 c+1,008 h+14,008 n+16 o

Alumunium AL 27,000

Natrium Na 20,000

Timbal Pb 207,210

Berikut ini diberikan beberapa contoh perhitungan keseimbangan oksigen (OB)

terhadap bahan peledak CHNO.

(1). Nitroglycol: C2H4N2O6 ; jadi c = 2, h = 4, n = 2, dan o = 6

BMexp = 12.01(2) + 1,008 (4) + 14,008 (2) + 16 (6) = 152,068

Dari perhitungan terlihat nitroglycol sangat seimbang, OB = 0%.

(2). Nitroglycerin: C3H5N3O9 ; jadi c = 3, h = 5, n = 3, dan o = 9

BMexp = 12.01(3) + 1,008(5) + 14,008(3) + 16(9) = 227,094

Nitroglycerin tergolong sedikit overoxidized.

(3). RDX: C3H6N6O6 ; jadi c = 3, h = 6, n = 6, dan o = 6

BMexp = 12.01(3) + 1,008(6) + 14,008(6) + 16(6) = 222,126

RDX termasuk underoxidized.

(4). TNT: C7H5N3O6 ; jadi c = 7, h = 5, n = 3, dan o = 6

BMexp = 12.01(7) + 1,008(5) + 14,008(3) + 16(6) = 227,134

TNT termasuk sangat underoxidized.


OB = 1600152,068

(6 −( 2(2) + 42) = 0%

OB = 1600227,094

(9 −( 2 (3 ) + 52) = 3,51

OB = 1600222,126

(6 − (2 (3) + 62) = −21,61

OB = 1600227,134

(6 − (2 (7 ) + 52) = −73,97

Untuk mengukur OB campuran beberapa bahan peledak atau kandungan elemen-

elemen tambahan yang memiliki gaya gabung (afinitas) terhadap oksigen, maka o

pada persamaan (1.3), harus dikoreksi menjadi sebagai berikut:

(1.7)

Di mana oNa/2 menunjukkan bahwa untuk menyempurnakan reaksi pembakaran

setiap atom natrium diperlukan ½ atom oksigen dan oCa artinya dibutuhkan

1 atom oksigen untuk 1 atom kalsium. Selanjutnya, perlu ditentukan harga-harga

berat atom (gram atom) setiap elemen per satuan berat. Tabel 1.3 memperlihat-

kan data gram atom elemen pembentuk beberapa bahan peledak per 100 gram.

Berikut ini diberikan beberapa contoh perhitungan berat (gram) atom untuk

elemen pembentuk bahan peledak.

(1). Nitroglycerin: C3H5(ONO2)3 ; jadi c = 3, h = 5, n = 3, dan o = 9

BMexp = 12.01 (3) + 1,008 (5) + 14,008 (3) + 16 (9) = 227,094

Gram atom C = 3/227,094 x 100 = 1,32 gram atom/100 gram Gram atom H = 5/227,094 x 100 = 2,20 gram atom/100 gram Gram atom N = 3/227,094 x 100 = 1,32 gram atom/100 gram Gram atom O = 9/227,094 x 100 = 3,96 gram atom/100 gram

Jumlah gram untuk masing-masing elemen per 100 gram senyawa

nitroglycerin atau prosentase komposisi adalah:

C = 1,32 x 12,01 = 15,86 gram (15,86% berat senyawa) H = 2,20 x 1,008 = 2,23 gram ( 2,23% berat senyawa) N = 1,32 x 14,008 = 18,51 gram (18,51% berat senyawa) O = 3,96 x 16,00 = 63,37 gram (63,37% berat senyawa)

(2). Ammonium Nitrate: NH4NO3 ; jadi h = 4, n = 2, dan o = 3

BMexp = 1,008(4) + 14,008(2) + 16(3) = 80,048

Gram atom H = 4/80,048 x 100 = 5,00 gram atom per 100 gram Gram atom N = 2/80,048 x 100 = 2,50 gram atom per 100 gram Gram atom O = 3/80,048 x 100 = 3,75 gram atom per 100 gram


OB=(o−oNa/2−oCa . .. . dan lain−lain )−2c−h/2

Jumlah gram untuk masing-masing elemen per 100 gram senyawa

ammonium nitrate atau prosentase komposisi adalah:

H = 5,00 x 1,008 = 5,00 gram ( 5,00% berat senyawa) N = 2,50 x 14,008 = 35,00 gram (35,00% berat senyawa) O = 3,75 x 16,00 = 60,00 gram (60,00% berat senyawa)

(3). Mercury fulminate: Hg(CNO)2 ; jadi c = 2, n = 2, o = 2, dan hg = 1

BMexp = 12.01(2) + 14,008(2) + 16(2) + 200,61(1) = 284,646

Gram atom C = 2/284,646 x 100 = 0,70 gram atom per 100 gram Gram atom N = 2/284,646 x 100 = 0,70 gram atom per 100 gram Gram atom O = 2/284,646 x 100 = 0,70 gram atom per 100 gram Gram atom Hg = 1/284,646 x 100 = 0,35 gram atom per 100 gram

Jumlah gram untuk masing-masing elemen per 100 gram senyawa mercury

fulminate atau prosentase komposisi adalah:

C = 0,70 x 12,01 = 8,41 gram ( 8,41% berat senyawa) N = 0,70 x 14,008 = 9,81 gram ( 9,81% berat senyawa) O = 0,70 x 16,00 = 11,20 gram (11,20% berat senyawa) Hg = 0,35 x 200,61 = 70,21 gram (70,21% berat senyawa)

Tabel 1.3. Berat atom elemen pembentuk beberapa bahan peledak

NamaBerat

MolekulFormula

Komposisi Gram Atom/100 gram

C H N O

Nitroglycerin 227,1 C3H5(ONO2)3 1,32 2,20 1,32 3,95Ethylene glycol dinitrate 152,0 C2H4(NO3)2 1,32 2,63 1,32 3,95Nitrocellulose (11,05% N2) 297,1 C6H7(NO3)3O2 2,39 3,19 3,57 0,79Trinitrotoluene (TNT) 227,1 C6H2CH3(NO2)3 3,08 2,20 1,32 2,64Dinitrotoluene (DNT) 182,1 C7N2O4H6 3,84 3,29 1,10 2,20Lead Azide 291,3 Pb(N3)2 -- Pb = 0,34 2,06 --Mercury fulminate 284,7 Hg(CNO)2 0,70 Hg = 0,35 0,70 0,70SG pulp 162,2 C6H10O5 4,17 6,30 -- 2,14X pulp C6H10O5 4,05 5,85 -- 2,80Paraffin (FO) 14,0 CH2 7,10 14,60 -- --Cellulose 3,71 6,18 -- 3,09Ammonium Nitrate 80,1 NH4NO3 -- 5,00 2,50 3,75Sodium Nitrate 85,0 NaNO3 -- Na = 1,18 1,18 3,53Calcium Carbonate 100,0 CaCO3 1,00 Ca = 1,00 -- 3,00Tetryl 287,2 CH3N(NO2)4 0,35 1,05 1,74 2,78PETN 316,1 C(CH2NO3)4 1,56 2,53 1,27 3,80Pieric Acid 229,0 C6H2(NO2)3OH 2,62 1,31 1,31 3,06RDX 222,1 (CH2)3(NO2)3N3 1,35 2,70 2,70 2,70


Nitroglycerin (NG)= 18%Trinitrotoluene (TNT)= 3%Ammonium Nitrate (AN)= 55%Sodium Nitrate (SN)= 10%SG pulp (SG)= 12%Calcium Carbonate (CC)= 2%

Total= 100%

Perhitungan prosentase berat atom di dalam senyawa bahan peledak digunakan

untuk mengukur keseimbangan oksigen campuran beberapa jenis bahan peledak

atau tambahannya. Dengan memakai Tabel 2.3 perhitungan akan lebih cepat dan

mudah. Misalnya akan dihitung OB suatu campuran dengan komposisi sebagai

berikut:

Jadi 18% (atau gram) NG dalam 100 gram campuran terdapat elemen hidrogen

(H) sebanyak 0,18 x 2,20 = 0,396 gram atom. Dengan cara yang sama jumlah

gram atom setiap elemen dalam setiap bahan pembentuk campuran bahan

peledak baru dapat ditabelkan (lihat contoh Tabel 1.4).

Tabel 1.4. Contoh analisis gram atom/100 gram campuran pembentuk bahan peledak

Bahan % c h n o oCa oNa

NG 18 0,238 0,396 0,238 0,713 -- -- TNT 3 0,093 0,066 0,040 0,079 -- -- AN 55 -- 2,748 1,374 2,061 -- -- SN 10 -- -- 0,118 0,353 -- 0,118 SG 12 0,500 0,756 -- 0,257 -- -- CC 2 0,020 -- -- 0,060 0,020 --

Total 100 0,851 3,966 1,770 3,523 0,020 0,118

Selanjutnya dengan memakai persamaan (1.7), maka OB dapat ditentukan

sebagai berikut:

OB = (o – oNa / 2 – oCa) – 2c – h / 2

OB = 3,523 – ½ (0,118) – 0,020 – 2(0,851) – ½ (3,966)

OB = 3,444 – 3,685 = – 0,241 gram atom/100 gram campuran

Hasil perhitungan menunjukkan bahwa campuran tersebut underoxidized dan

akan menghasilkan sejumlah gas CO.


Meramu suatu bahan peledak dengan kualitas yang memenuhi persyaratan

tertentu memerlukan pengertian tentang campuran bahan-bahan dalam bahan

peledak dan bagaimana kemungkinan reaksinya. Sebagai prosedur dasar telah

digambarkan di atas, yaitu dengan prinsip keseimbangan oksigen yang hasil

reaksinya membentuk produk CO2, H2O, N2 dan biasanya oksida padat.

Perbandingan bahan-bahan dalam campuran dapat ditentukan dengan dua cara,

yaitu berdasarkan persamaan reaksinya sudah diketahui dan persamaan reaksi

belum diketahui. Contohnya sebagai berikut:

(1). Persamaan reaksi diketahui

Campuran bahan peledak AN, NG dan SG akan menghasilkan produk N2,

CO2, dan H2O, persamaan umumnya:

11 NH4NO3 + 2 C3H5(NO3)3 + C6H10O5 12 CO2 + 32 H2O + 14 N2

Substitusikan berat molekul masing-masing senyawa:

11(80) + 2(227) + 1(162) = 12(44) + 32(18) + 14(28)

1496 gram = 1496 gram

Jadi prosentase berat masing-masing senyawa adalah:

AN = NH4NO3 = (880 / 1496) x 100 = 58,80%

NG = C3H5(NO3)3 = (454 / 1496) x 100 = 30,40%

SG = C6H10O5 = (162 / 1496) x 100 = 10,80%

(2). Persamaan reaksi tidak diketahui

Misalnya akan dibuat bahan peledak ANFO yang dapat menghasilkan

keseimbangan oksigen nol (zero oxygen balance). Berapa prosen berat

masing-masing bahan atau senyawa reaktan.

a AN + b FO c CO2 + d H2O + e N2

Tabel 1.5. Jumlah gram atom campuran bahan pembuatan ANFO

Bahan % c h n o

AN X -- 5,00 X 2,50 X 3,75 XFO Y 7,10 Y 14,80 Y -- --

Total 1,00 7,10 Y (5,00X + 14,80Y) 2,50 X 3,75 X


Karena pada senyawa reaktan tidak terdapat unsur natrium dan kalsium, maka

dapat digunakan persamaan (1.3) untuk menghitung zero oxygen balance.

OB = o – 2c – ½ hOB = 3,75X – 2(7,10Y) – ½(5,00X + 14,80Y) = 01,25 X = 21,60 Y X = 17,30 Y

Apabila X + Y = 1, maka 17,3 Y + Y = 1

Y = FO = 0,055 ( 5,5%)

X = AN = 0,945 (94,5%)

Dengan demikian mencampur ammonium nitrat 94,5% dengan fuel oil (misalnya

solar) 5,5% akan diperoleh reaksi oksidasi yang seimbang dan dapat diharapkan

zero oxygen balance.

C. Rangkuman

1. Energi bahan peledak ditimbulkan karena adanya reaksi eksotermis pada

saat terjadi reaksi kimia antara bahan-bahan penyusun bahan peledak

menjadi gas-gas dalam waktu yang sangat singkat melalui penyalaan oleh

suatu inisiator (primer).

2. Energi bahan peledak tidak dapat terkonsentrasi sepenuhnya untuk

menghancurkan massa batuan, tetapi terbagi dalam beberapa jenis energi

yang terdistribusi menjadi 2 (dua) bagian besar yaitu:

a. Energi terpakai (work energy) yang berperan dalam proses pemecahan

massa batuan.

b. Energi tak terpakai (waste energy) yang terkonversi menjadi energi yang

tidak berperan untuk pemecahan batuan, yaitu energi panas, energi sinar,

energi suara dan energi seismik.

3. Energi terpakai menhasilkan energi kejut (shock energy) dan energi gas (gas

energy). Bahan peledak lemah umumnya hanya memproduksi energi gas

selama proses peledakan, sedangkan bahan peledak kuat memproduksi

keduanya dengan perbandingan antara energi gas dan energi kejut 85 %

berbanding 15% .

4. Energi kejut adalah energi yang ditransmisikan terhadap batuan sebagai

akibat dari tekanan detonasi bahan peledak. Energi kejut ini memiliki tekanan


yang jauh lebih besar dari energi gas walaupun hanya mampu bertahan

dalam interval waktu yang sangat singkat.

5. Energi gas adalah tekanan dari ekspansi gas yang menerobos dinding lubang

ledak setelah reaksi kimia peledakan selesai. Energi gas yang dilepaskan

selama proses detonasi tersebut sebagai penyebab utama pecahnya batuan.

6. Diantara jenis energi tak terpakai yang paling menganggu manusia adalah

energi suara dan seismik.

7. Energi suara peledakan dapat mencapai 140 dB yang merupakan batas

ambang peledakan yang tidak menimbulkan kerusakan material atau aman

bagi infrastruktur, peralatan dan lain-lain. Udara atau atmosfir merupakan

merupakan media transmisi gelombang suara yang berupa gelombang datar

atau tekan (compressional waves).

8. Terdapat dua jenis gelombang seismik, yaitu gelombang badan (body waves)

yang merambat di dalam tubuh massa batuan dan gelombang permukaan

(surface waves) yang merambat sepanjang permukaan. Umumnya

gelombang permukaan memiliki energi yang lebih besar, lebih lambat dan

menghasilkan pergerakan yang lebih besar.

9. Terdapat dua jenis gelombang permukaan, yaitu gelombang Rayleigh dan

gelombang Love.

10. Panas yang dilepaskan (Qe) adalah perbedaan antara total panas formasi

produk atau hasil reaksi (Qp) dengan total panas formasi reaktan(Qr), jadi:

11. Keseimbangan oksigen reaksi peledakan (OB) diukur oleh tingkat kecukupan

unsur oksigen di dalam campuran bahan peledak, rumus umumnya:

Bila OB negatif, maka bahan peledak kekurangan oksigen atau under-

oxidize, sebaliknya bila OB positif pada reaksi tersebut tersedia lebih dari

cukup atom oksigen dan disebut overoxidized. Reaksi ideal apabila OB = 0

yang disebut “keseimbangan oksigen nol” atau zero oxygen balance.

D. Tes Formatif

1. Ada 2 (dua) macam istilah untuk reaksi yang terjadi pada bahan peledak

kimia, sebutkan dan jelaskan maksudnya?


Qe=Qp−Qr

OB=o−2c−h/2

Nitroglycerin (NG)= 20%Trinitrotoluene (TNT)= 15%Ammonium Nitrate (AN)= 55%SG pulp (SG)= 10%

Total= 100%

2. Sebutkan dan jelaskan jenis-jenis energi yang dihasilkan dari proses

peledakan bahan galian yang berguna dan terpakai (work energy)?

3. Tentukan formula/rumus untuk mengukur besarnya tekanan yang ditimbulkan

akibat reaksi kimia suatu proses peladakan?

4. Sebutkan dan jelaskan jenis-jenis energi terbuang (waste energy) yang

umumnya sebagai energi tak berguna (sampah) dalam proses peledakan?

5. Terdapat 2 (dua) jenis gelombang seismik yang terjadi akibat peledakan,

sebutkan dan jelaskan?

6. Berapa panas yang dihasilkan ANFO ditambah Alumunium yang reaksinya

berikutnya:

4,5N2H4O3 + CH2 + AL 4,5 N2 +10H2O + CO2 + 0,5 AL2O3

7. Bahan peledak diramu dari campuran bahan-bahan di bawah ini:

Evaluasi oleh Saudara apakah hasilnya zero oxygen balance?

8. Campuran bahan peledak AN, NG dan SG akan menghasilkan produk N2,



1) Apakah komposisi tersebut memenuhi kesetimbangan oksigen (zero

oxygen balance)?

2) Berapa % komposisi masing-masing bahan tersebut di atas?


Pembelajaran

A. Tujuan Khusus Pembelajaran

Setelah mempelajari materi Pembelajaran 2 ini, peserta diharapkan dapat

menjelaskan:

1. Teori dan teknik perhitungan gaya yang bekerja pada massa batuan tak

berhingga saat adanya perambatan energi akibat peledakan.

2. Teori dan teknik perhitungan gaya yang bekerja pada massa batuan berhingga

saat adanya perambatan energi akibat peledakan.

B. Uraian Materi

1. Perjanjian tanda dalam geomekanika

Dalam geomekanika berlaku perjanjian tanda yang membedakannya dengan

mekanika teknik, yaitu sebagai berikut:

a. Komponen gaya dan pergeseran bertanda positif bilamana arah kerjanya

sesuai dengan arah positif daripada sumbu-sumbu koordinat.


)λ λ λ( zxzyxyxxxx σσσt

)λλλ( zzyyyyxxyy σσσt

)λλλ( zzzyyzxxzz σσσt ;

x

y

xx

yy

xy

Dua dimensi

xx

yy

yx

zy

zx

x

y

z zz

yz

xz

xy

Tiga dimensi

b. Tegangan normal kompresi atau tekan bertanda positif, sebaliknya tegangan

normal tarik bertanda negatif.

c. Gaya traksi dalam bentuk tegangan normal kontraksi bertanda positif dan

tegangan normal ekspansi bertanda negatif.

d. Arah tegangan geser bertanda positif pada suatu bidang adalah menuju titik

pusat koordinat apabila garis normal ke arah bidang tersebut menuju ke titik

pusat koordinat.

Berikut ini adalah gambaran tentang pemberian tanda yang berkaitan dengan

tegangan atau stress, regangan (strain), pergeseran (displacement), dan

keseimbangan gaya pada suatu medium (lihat Gambar 2.1).

(a) Hubungan tegangan-ekspansi digambarkan menjauhi titik pusat koordinat

sumbu dan ditentukan sebagai berikut:

Gambar 2.1. Sistem tegangan relatif yang bekerja pada sumbu Cartesian

(b) Hubungan komponen regangan-pergeseran digambarkan sebagai berikut:

(c) Penurunan persamaan untuk keseimbangan gaya pada suatu medium

dituliskankan sebagai berikut:

Modul ”Teori Peledakan”

; dst.;

24

γ xy=−∂u y

∂ x+∂ux

∂ yε xx=−

∂ ux

∂ x

0

Xz

σ

y

σ

x

σ xzxyxx

dst;

2. Perambatan energi dalam medium tak terhingga

Perhatikan elemen kecil dari medium yang berbentuk kubus dan sistem gaya-gaya

yang bekerja pada sisi-sisinya (lihat Gambar 2.2). Dengan penjumlahan gaya-

gaya yang bekerja pada arah 3 sumbu (X, Y dan Z) akan diperoleh sebagai

berikut:

(a) Ke arah sumbu X :

atau, (2.1)

Bila komponen gaya x pada medium adalah X per unit volume, maka dengan

menggunakan tegangan atau gaya d’Alembert ρ ux yang arahnya kebalikan

gaya x (Gambar 2.2), akan diperoleh persamaan keseimbangan tegangan ke

arah sumbu X sbb:

(2.2)

Dengan mensubstitusi persamaan (2.2) terhadap (2.1), maka keseimbangan

gaya pada sumbu X yang dinyatakan dalam parameter tegangan menjadi:

(2.3.a)


(σ xx+∂σ xx

∂ xdx )dydz−σ xxdydz+(σ xy+

∂ σ xy

∂ ydy )dxdz−σ xy dxdz+

(σ xz+∂ σ xz

∂ zdz )dxdy−σ xz dxdy=X dxdydz

∂σ xx

∂ x+∂σ xy

∂ y+∂ σ xz

∂ z=X

X=−ρ ux=−ρ∂2 ux

dt2

∂σ xx

∂ x+∂σ xy

∂ y+∂ σ xz

∂ z=−ρ

∂2ux

dt 2

(2.4.a)

(2.4.b)

(2.4.c)

;

;

xxxx G 2λ xyyxxy G

yyyy G 2λ yzzyyz G

zzzz G 2λ zxxzzx G

;

Gambar 2.2. Sistem tegangan yang bekerja pada satu unit kubus

(b) Ke arah sumbu Y dan Z :

Selanjutnya dengan menggunakan cara yang sama dengan penyelesaian

terhadap sumbu X di atas akan diperoleh gaya-gaya yang bekerja melalui

sumbu Y dan Z yang hasilnya terlihat pada persamaan (2.3.b) dan (2.3.c).

Pada medium yang bersifat elastis dan isotropis berlaku hukum Hooke’s, sehingga

akan diperoleh hubungan gaya dengan parameter elastisitas, yaitu E, G, dan

yang masing-masing adalah Young’s modulus, Modulus rigidity (shear modulus)

dan Poisson’s ratio. Hubungannya adalah sebagai berikut:

diketahui: = Modulus geser (modulus rigidity)

= Konstanta Lame (Lame’s constant)

= Dilatasi atau perubahan volume(volumetric strain)

Dimana: E = Modulus elastisitas (Young’s modulus)


(2.3.b)

(2.3.c)

26

∂σ xy

∂ x+∂σ yy

∂ y+∂ σ yz

∂ z=−ρ

∂2 u y

dt 2

∂σ xz

∂ x+∂ σ yz

∂ y+∂σ zz

∂ z=−ρ

∂2uz

dt 2

G = E2(1+v )

λ = vE(1+v )(1−2v )

Δ = ε xx+ε yy+ε zz

x

u xxx

y

u

x

uxy

xyz

u

y

u yzx

2;;

= Poisson’s ratio

Terdapat pula hubungan antara regangan dan rotasi dengan pergeseran sebagai

berikut:


................................................................................

27

γ yz=−(∂ μz

∂ y+∂ μx

∂ z)

∑ yy=−∂ μ y

∂ y

2ϖ y=∂ μx

∂z−∂ μz

∂x∑ xx=−∂ μz

∂z

γ zx=−(∂ μx

∂z+∂ μz

∂ x)

dimana ώx adalah rotasi pada sumbu x.

Dengan menggabungkan (4) dan (5) dengan (3a) diperoleh:

−ρ

∂2 μx

∂ t2=( λ+G ) ∂ Δ

∂x−G ∇2 μx

.......................................................(6)

dengan (3b):

−ρ

∂2 μ y

∂ t2=( λ+G ) ∂ Δ

∂ y−G ∇2 μ y

.......................................................(7)

dengan (3c):

−ρ

∂2 μz

∂ t2=( λ+G ) ∂Δ

∂ z−G∇ 2μz

.......................................................(8)

dimana:

∇2= ∂2

∂x2+ ∂2

∂y2+ ∂2

∂z2

Bila, persamaan (6) didifrensiasi terhadap x,

persamaan (6) didifrensiasi terhadap y, dan

persamaan (6) didifrensiasi terhadap z,

kemudian dijumlahkan, maka akan diperoleh:

ρ∂2 Δ∂ t2

=( λ+2G ) ∇2 Δ

atau

∂2 Δ∂ t2

=( λ+2 Gρ )∇ 2 Δ

Bila ( λ+2 G

ρ )½ = Cp , maka:

∂2 Δ∂ t2

=Cp2∇

2 Δ ................................................................................(9)


2 ϖ z=∂ μy

∂ x−∂ μx

∂ y

Persamaan (9) adalah persamaan gelombang dimana Cp sebagai kecepatan

merambat gelombang pada medium dengan karakteristik λ, G dan ρ. Jenis

gelombang ini disebut gelombang Longitudinal atau Primer.

Bila: Persamaan (7) didefinisikan terhadap Z,

Persamaan (8) didefinisikan terhadap Y dan

kemudian dihilangkan faktor Δ dengan cara pengurangan akan diperoleh

hubungan sebagai berikut:

ρ ∂2

∂ t2 (∂ μz

∂ y−∂ μ y

∂z)=G∇ 2(∂ μz

∂ y−∂ μ y

∂ z)

atau ρ ∂2

∂ t2ϖx=G∇ 2ϖ x

atau

∂2 ϖ x

∂ t2=G

ρ∇ 2ϖ x

Bila (G

ρ )½ = Cs , maka:

∂2

∂ t2ϖx=Cs ∇2ϖ x

..........................................................................(10)

Persamaan (10) adalah persamaan gelombang, dimana Cs sebagai kecepatan

merambat gelombang pada medium dengan karakteristik G dan ρ. Jenis

gelombang ini disebut gelombang Transversal atau Sekunder.

3. Perambatan Energi Dalam Medium Berhingga

Perambatan gelombang longitudinal dalam sebuah batang adalah merupakan

perambatan energi satu dimensi yang paling sederhana (lihat Gambar 2.3).

Partikel dalam batang akan bergetar sebagai akibat dari pukulan yang diberikan

pada salah satu ujungnya. Besarnya pergeseran partikel yang bergetar pada titik

tertentu adalah merupakan fungsi waktu atau μx(t). Untuk mencari hubungan

antara pergerakan partikel dengan tegangan yang timbul, maka efek inersia dari

gerakan partikel harus diperhitungkan.


Kawat Penggantung

Tekanan

Arah perambatan gelombang

μx(t)

dx

dMijxdx

x

xxxx )(

xx

(a)

0 x

(b)

Gambar 2.3. Perambatan gelombang longitudinal dalam sebuah batang

Elemen batang dengan massa dM akan mengalami percepatan sebesar µx(t).

Dengan adanya pergeseran akan timbul gaya d’Alembert yang berlawanan arah

dengan arah gerakan, sehingga terjadi keseimbangan dari dari gaya-gaya sebagai

berikut:

dimana A = luas penampang batang, karena dM = ρ A

∂σ xx

∂x= σ∂x

¿¿, maka:

persamaan (11) menjadi:

∂2μx

∂ t2= E

ρ−∂2 μx

∂x2 .........................................................................(12)

Persamaan (12) adalah persamaan gelombang dengan C

B2=

Eρ , dimana CB

sebagai kecepatan merambat gelombang di sepanjang batang tersebut.

Solusi umum daripada persamaan (12) adalah:


...............................................

30

σ xx A−dM ijx−(σ xx+∂σ xx

∂xdx)A=0

μx=f 1 (x−C B t )+ f 2 (x+CB t ) ........................................................(13)

dimana f1 dan f2 adalah fungsi-fungsi yang bentuknya tergantung kepada kondisi

permulaan. Dengan mudah dapat dibuktikan bahwa persamaan (13) akan

memenuhi persamaan (12) dengan cara mendifferensiasi dua kali.

Suku dengan argumen (x – CBt) dalam persamaan (13) adalah gelombang yang

merambat ke arah sumbu positif koordinat atau disebut dengan istilah gelombang

berjalan maju. Sedangkan suku dengan argumen (x + CBt) adalah gelombang

yang merambat ke arah sumbu negatif koordinat atau disebut dengan istilah

gelombang berjalan mundur. Karena sistem adalah linier mak masing-masing

fungsi f1 dan f2 adalah juga solusi daripada persamaan (12). Juga setiap

kombinasi linier dari f1 dan f2 masih memenuhi sistem persamaan tersebut.

Pada waktu gelombang merambat sepanjang batang yang dinyatakan dengan

persamaan (13), setiap partikel dari batang akan melakukan gerakan berpindah

dari posisi keseimbangannya.

Kecepatan gerak (v) dari partikel akan disertai dengan tegangan (σxx). Dari Hukum

Hooke, hubungan tegangan dengan regangan adalah:

σ xx=E∑xx¿−E

∂ μx

∂x

atau (dari persamaan 13):

σ xx=−E [f 1' ( x−CB t )+ f 2 ' (x+CB t ) ] ..............................................(14)

Kecepatan gerak partikel didefinisikan sebagai:

μ=v=∂ μx

∂ t

Dari persamaan (13):

v=(−CB ) f 1 ' (x−CB t )+CB f 2 ' (x+CB t ) ...........................................(15)

Untuk gelombang berjalan maju dari persamaan (14) dan (15):

v=CB

σ xx

E=

σ xx

ρCB


σ0.v0 σt.vt

σt.vt

Bidang batas material 1 dan 2

1 2

atauσ xx=ρCBv

................................................................................(16)

Persamaan (16) menyatakan bahwa tegangan yang timbul dengan adanya

gelombang yang merambat adalah sebanding dengan besarnya kecepatan gerak

partikel. Besarnya ρC B dalam persamaan (16) disebut sebagai impedansi spesifik

daripada medium.

Hal penting yang berhubungan dengan peledakan dapat dipelajari dari

perambatan gelombang pada batang majemuk seperti diperlihatkan dalam

gambar 2.4. Batang terdiri dari dua jenis material yang diberi dengan tanda 1 dan

2 yang disambung secara kokoh. Gelombang yang merambat pada material 1

menuju material 2 akan membentur bidang batas, sebagian diteruskan pada

material 2 dan sebagian dipantulkan kembali dan merambat pada material 1.

Bagaimanakah perbandingan tegangan yang diteruskan dan dipantulkan?

ρ 1 CB 1 ρ 2 CB 2

Gambar 2.4. Perambatan gelombang pada batang majemuk

Bila perbandingan impedensi spesifik disebut n, maka:

n=( ρ2 CB 2

ρ1 CB 1)= ρ2C2

ρ1C1 ....................................................................(17)

Syarat kesinambungan pada bidang batas menghasilkan kondisi sebagai berikut:

σ 0+σ r=σ t .................................................................................(18)

v0+vr=v t ..................................................................................(19)

Dari hubungan σ xx= ρC Bv untuk gelombang yang merambat ke kanan dan

σ xx=−ρCB v untuk gelombang yang merambat ke kiri, persamaan (19) menjadi:


σ0

ρ1C1

−σr

ρ1C1

=σ t

ρ2 C2

dan dari persamaan (18),

Dengan penggabungan akan diperoleh:

σ r=( n−1n+1 )σ0

..............................................................................(20)

danσ t=( 2n

n+1 )σ 0 ..............................................................................(21)

Untuk kecepatan gerak partikel diperoleh hubungan sebagai berikut:

V r=( n−1n+1 )V 0

...............................................................................(22)

V t=( 2nn+1 )V 0

...............................................................................(23)

Umpamakan σ 0 adalah kompressi,

1. Bila n > 1, maka gelombang yang dipantulkan juga kompressi.

2. Bila n < 1, maka gelombang yang dipantulkan menjadi tarikan (tensile).

Jadi gelombang kompressi dapat berubah menjadi gelombang tarikan sebagai

akibat dari peristiwa pemantulan yang terjadi didalam medium yang merambatkan

gelombang. Batuan adalah material yang mempunyai kekuatan tarik rendah dan

tidak kuat terhadap tegangan tarik.

Suatu keadaan khusus adalah peristiwa yang terjadi pada sebuah batang dengan

ujung bebas atau sebuah batang majemuk dengan ρ2 = C2 = 0. Dalam hal ini

perbandingan impendansi spesifik menjadi nol (n = 0). Persamaan (20) dan (22)

menjadi:

σ r=−σ 0 .........................................................................................(24)

vr=v0 ..........................................................................................(25)

Jadi pulsa kompressi akan dipantulkan seluruhnya menjadi pulsa tarikan dan arah

gerakan partikel sesuai dengan arah gerakan yang disebabkan oleh pulsa yang

masuk.Berobahnya tegangan kompressi menjadi tegangan tarik sebagai akibat


σ0

ρ1C1

−σr

ρ1C1

=σ 0+σ r

ρ2C2

pemantulan pada suatu bidang bebas memegang peranan yang sangat penting

dalam proses peledakan batuan. Inilah sebabnya mengapa selalu harus ada

bidang bebas di dekat lubang tembak dalam operasi peledakan.

C. Rangkuman

1. Elemen kecil dari medium yang berbentuk kubus dan sistem gaya-gaya yang

bekerja pada sisi-sisinya adalah sebagai berikut:

Arah sumbu X:

atau,

Hal yang serupa untuk arah sumbu Y dan Z.

2. Persamaan

∂2 Δ∂ t2

=Cp2∇

2 Δ adalah persamaan gelombang dimana Cp sebagai

kecepatan merambat gelombang pada medium dengan karakteristik λ, G dan

ρ. Jenis gelombang ini disebut gelombang Longitudinal atau Primer.

3. Persamaan

∂2


adalah persamaan gelombang, dimana Cs

sebagai kecepatan merambat gelombang pada medium dengan karakteristik


(σ xx+∂σ xx

∂ xdx )dydz−σ xxdydz+(σ xy+

∂ σ xy

∂ ydy )dxdz−σ xy dxdz+

(σ xz+∂ σ xz

∂ zdz )dxdy−σ xz dxdy=X dxdydz

∂σ xx

∂ x+∂σ xy

∂ y+∂ σ xz

∂ z=X

σ0.v0 σt.vt

σt.vt

Bidang batas material 1 dan 2

1 2

G dan ρ. Jenis gelombang ini disebut gelombang transversal atau

sekunder.

4. Persamaan

∂2μx

∂ t2= E

ρ−∂2 μx

∂x2 adalah persamaan gelombang dengan

CB

2=Eρ , dimana CB sebagai kecepatan merambat gelombang di sepanjang

batang.

5. Hal penting yang berhubungan dengan peledakan dapat dipelajari dari

perambatan gelombang pada batang majemuk. Batang terdiri dari dua jenis

material yang diberi dengan tanda 1 dan 2 yang disambung secara kokoh.

Gelombang yang merambat pada material 1 menuju material 2 akan

membentur bidang batas, sebagian diteruskan pada material 2 dan sebagian

dipantulkan kembali dan merambat pada material 1. Maka perbandingan

tegangan yang diteruskan dan dipantulkan adalah sebagai berikut:

ρ 1 CB 1 ρ 2 CB 2

Bila perbandingan impedensi spesifik disebut n, maka:

n=( ρ2 CB 2

ρ1 CB 1)= ρ2C2

ρ1C1

Hubungan kecepatan gerak partikel diperoleh sebagai berikut:

V r=( n−1n+1 )V 0

V t=( 2nn+1 )V 0

Umpamakan σ 0 adalah kompressi,

Bila n > 1, maka gelombang yang dipantulkan juga kompressi.


Bila n < 1, maka gelombang yang dipantulkan menjadi tarikan (tensile).

D. Evaluasi

1. Sebutkan rumus persamaan gelombang Longitudinal atau Primer yang anda

ketahui?

2. Sebutkan rumus persamaan gelombang Transversal atau Sekunder yang

anda ketahui?

3. Sebutkan dan jelaskan dengan menggunakan gambar tentang perambatan

gelombang longitudinal dalam sebuah batang?


A. Tujuan Khusus Pembelajaran

Setelah mempelajari materi Pembelajaran 3 ini, peserta diharapkan dapat:

1. Menjelaskan masalah teori mekanisme pecahnya batuan akibat suatu

peledakan, baik dilihat dari teori refleksi, teori ekspansi gas, frexural rupture,

gelombang stress, dan teori torque serta melalui teori kawah (Crater).

2. Menjelaskan masalah pembebanan, baik dilihat dari teori pembebanan

dinamis, pembebanan semi statis, dan proses pelepasan beban.

3. Menjelaskan teori peranan bidang bebas (free face) pada suatu proses

peledakan batuan.

B. Uraian Materi

1. Mekanisme pecahnya batuan

Bilamana bahan peledak yang diisikan ke dalam lubang tembak diledakkan, maka

gas bertekanan tinggi yang dihasilkan dalam proses peledakan tersebut akan

menekan dinding lubang tembak dan menimbulkan gelombang tekanan yang

merambat ke badan batuan di sekitar lubang tembak tersebut.

Tegangan yang terjadi di daerah sekitar dinding lubang tembak dapat melebihi

kekuatan batuan sehingga menyebabkan terjadinya penggerusan batuan. Karena

tegangan menurun dengan jarak dari lubang tembak, maka perilaku mekanisme

batuan akan bervariasi dan terjadi perubahan plastis ke elastis. Ke arah luar dari

daerah penggerusan dimana kekuatan batuan dilampaui oleh tegangan akan

mengalami rekahan radial akibat tegangan tarik tangensial (hoop stress). Rekahan

radial ini akan terus berkembang secara radial selama tegangan tarik tangensial

ini melampaui kuat tarik batuan pada ujung rekahan.

Pada kondisi batuan yang sebenarnya pembentukan rekahan ini akan dipengaruhi

oleh kondisi batuan seperti anisotropi, tingkat keretakan awal, dan distribusi

tegangan awal.


Pembelajaran

Fenomena-fenomena mekanisme pecahnya batuan akibat proses peledakan ini,

dapat dilihat pada teori-teori di bawah ini:

a. Teori refleksi (reflection theory)

Konsep ini didasarkan pada kenyataan bahwa massa batuan mempunyai

resistansi yang lebih kecil terhadap tegangan tarik (tensile stress) daripada

tegangan tekan (compressive stress). Pulsa regangan tekan (compressive

strain) yang dihasilkan oleh detonasi bahan peledak akan dipantulkan oleh

permukaan bebas (free surface) sebagai pulsa strain wave yang bergerak

kembali ke arah semula. Perubahan ini menyebabkan batuan yang rentan

terhadap gaya tarik mengalami kerusakan pada bagian face dalam bentuk

spalling

Gambar 3.1. Teori refleksi (reflection theory)

b. Teori ekspansi gas (gas expansion theory)

Teori ini didasarkan atas perubahan tekanan yang bekerja pada dinding

lubang tembak menjadi setengah dari tekanan detonasi karena adanya

pengembangan (ekspansi) dari lubang tembak tersebut. Tekanan ini akan

berpropagasi keluar dari lubang tembak ke dalam massa batuan sebagai

gelombang kejut (shock wave). Material yang berada diantara lubang tembak

dan shock wave front akan terkompresikan dan bergerak secara elastis atau


plastis, bergantung pada tekanan dan strength batuan, yang mengakibatkan

beberapa crack radial terbentuk di dekat dinding lubang tembak. Tekanan

gas (gas pressure) kemudian mengisi, memperbesar, dan memperpanjang

crack-crack tersebut, sehingga mencapai permukaan bebas dan batuan

mengalami pergerakan (displacement).

Gambar 3.2. Teori ekspansi gas (gas expansion theory)

c. Flexural rupture

Teori pemecahan batuan melalui flexural rupture analog dengan proses

pematahan lempeng (beam bending). Tingkat fragmentasi dikontrol oleh

tekanan gas dan karakteristik kekakuan massa batuan burden, yang

bergantung pada kontrol terhadap pergerakan, Modulus Young batuan, dan

bentuk geometrik blok yang mengalami rekahan radial yang dinyatakan oleh

rata-rata ketebalan, lebar, dan panjangnya yang identik dengan burden,

spacing, dan tinggi bench. Menurut Garry B. Hemphill (Blasting Operation,

1981) flexural rupture yang mantap dengan tingkat fragmentasi yang

maksimum dan overbreak yang minimum diperoleh pada rasio burden

terhadap tinggi bench yang mencapai nilai kritis 1 : 3.


Gambar 3.3. Teori runtuhan (flexural rupture)

d. Gelombang Tegangan (stress wave)

Teori ini memperlihatkan pentingnya gelombang stress dalam proses

fragmentasi dan menyebabkan sejumlah besar inisiasi crack pada daerah

yang agak jauh dari lubang tembak. Daerah-daerah tersebut terdiri dari flaw

(cacat) yang besar maupun kecil, bidang-bidang perlapisan, dan bidang

diskontinuitas lainnya yang berperan sebagai nuclei untuk formasi crack,

pengembangan, dan penambahannya. Sehingga teori ini juga disebut

sebagai Flaw Theory atau Nuclei Wave.

Gambar 3.4. Teori gelombang tegangan


e. Teori torque (torque theory)

Keberhasilan teori ini sepenuhnya bergantung pada ketepatan pengaturan

waktu dari initiator. Bila dua buah explossive column yang berdekatan

diinisiasi secara simultan dari arah yang berlawanan, akan terbentuk suatu

compressional shock wave dari masing-masing kolom yang merambat

paralel tetapi dengan arah yang berlawanan. Cara ini cocok digunakan untuk

menentukan fragmentasi yang seragam dan menghindari muckpile yang sulit.

Gambar 3.5. Teori torsi (torque theory)

f. Teori kawah (cratering theory)

Teori ini berlaku untuk muatan dengan rasio panjang terhadap diameter yang

lebih dari atau sama dengan 6 : 1, didetonasi pada jarak yang ditentukan

secara empiris di bawah permukaan untuk mengoptimasi volume terbesar

dari material yang terfragmentasi secara permanen antara muatan dan free

face. Terdapat faktor konstan antara jarak burden kritis dan akar pangkat tiga

dari bahan peledak yang disebut Strain Energy Factor (E). Nilai E tersebut

merupakan suatu tetapan untuk kombinasi batuan – bahan peledak tertentu.


a).DetonationHancurnya batuan sekeliling isian mencapai permukaan

b).Pemantualan tekanan gelombangpada permukaan terjadi tekanan ke permukaan

c).Ekspansi gasdan percepatan

d).Semburan gas dan pelepasan material

Gambar 3.6. Teori kawah (Cratering theory)

2. Pembebanan pada peledakan

Besar tekanan yang terbentuk di sepanjang dinding lubang tembak sekitar

setengah tekanan detonasi bahan peledak. Gelombang tekan menyebabkan

terjadinya peremukan atau penggerusan di sekitar lubang tembak. Ke arah luar

dari daerah peremukan dimana kekuatan batuan terlampaui oleh tegangan

detonasi akan terjadi rekahan radial akibat tegangan tarik tangensial (hoop stress)

yang diderita batuan. Rekahan radial ini akan terus berkembang secara radial

selama tegangan tarik tangensial melampaui kuat tarik batuan pada ujung

rekahan. Pembentukan rekahan dipengaruhi oleh kondisi batuan, antara lain oleh

anisotropi, tingkat retakan awal, dan distribusi tegangan awal.

Selama gelombang merambat sampai menemukan bidang diskontinu atau bidang

bebas, batuan akan mengalami pembebanan mekanis sehingga akan terjadi

variasi perilaku dari deformasi plastis ke elastis. Fase-fase pembebanan yang

dialami batuan adalah pembebanan dinamis, pembebanan quasi-statis atau semi-

statis, dan pelepasan beban. Evolusi pembentukan pola retakan pada setiap fase

dapat dilihat pada Gambar 3.7 berikut ini.


Gambar 3.7. Tahapan proses penghancuran batuan akibat peledakan

a. Pembebanan dinamis

Daerah yang terpengaruh oleh pembebanan reaksi peledakan dapat dibagi

dalam 3 (tiga) zona, yaitu zona kejut, zona transisi, dan zona elastis. Di

sekitar dinding lubang tembak akan timbul gelombang kejut sebagai akibat

dari tegangan dengan intensitas yang tinggi dari proses detonasi bahan

tembak. Pada zona kejut ini sifat mekanis batuan diibaratkan sebagai benda

padat yang kental. Gelombang kejut menyebabkan batuan mengalami

peremukan atau retakan yang hebat. Luas zona kejut ini dapat mencapai

radius dua kali radius lubang tembak.

Daerah di luar zona kejut disebut zona transisi. Pada zona ini akan terbentuk

retakan baru yang berkembang secara radial. Pembentukan retakan

menghabiskan energi sehingga energi gelombang menjadi berkurang

intensitasnya. Radius dari zona transisi ini bisa mencapai 4 sampai 6 kali

radius lubang tembak.

Pada zona transisi intensitas tegangan akan menurun sampai ketingkat

dimana batuan hanya bersikap elastis, sehingga daerah ini disebut zona

elastis. Penyebaran atau perpanjangan rekahan pada zona ini hanyalah

merupakan perpanjangan dari rekahan terpanjang dari zona transisi.

Perpanjangan rekahan ini diperkirakan sembilan kali radius lubang tembak.


b. Pembebanan quasi-statis (semi-statis)

Tekanan gas yang sangat tinggi di dalam lubang tembak akan menimbulkan

tegangan semi-statis di sekitar lubang tembak tersebut. Selain itu, gas

bertekanan sangat tinggi tersebut akan mengalir ke dalam rekahan yang

dibentuk pada waktu pembebanan dinamis dan menghasilkan aksi baji,

sehingga rekahan bertambah panjang.

c. Pelepasan Beban

Pada waktu batuan bergerak, beban akan terlepas dan menimbulkan

tegangan tarik pada massa batuan yang sedang bergerak, sehingga terjadi

pemisahan lanjutan. Seperti telah dikemukakan sebelumnya bahwa tegangan

tarik yang dominan terjadi di daerah permukaan kerja atau bidang bebas dan

membentuk rekahan lebar, kemudian didorong oleh tekanan gas yang masih

tersisa menjadi fragmen batuan.

3. Peranan bidang bebas (free face)

Bilamana lubang tembak berdekatan letaknya dengan bidang bebas, maka pola

rekahan akan sangat dipengaruhi oleh adanya bidang bebas ini. Hal ini

disebabkan oleh karena gelombang kompresi yang merambat secara radial dari

lubang tembak akan dipantulkan kembali sebagai gelombang tarik pada waktu

mencapai bidang bebas. Geometri proses pemantulan ini diperlihatkan pada

Gambar 3.2 berikut ini.

Gambar 3.8. Perbandingan antara lubang tegak dan miring


Gelombang tarik yang dipantulkan seolah-olah berasal dari bayangan lubang

tembak dimana bidang bebas sebagai cerminnya. Gelombang tarik ini akan

merambat kembali menuju lubang tembak. Selain dapat menimbulkan rekahan

pada bidang bebas, juga dapat mempengaruhi medan tegangan di sekitar lubang

tembak dan merubah pola penyebaran rekahan (lihat Gambar 3.2). Ilustrasi di

atas menunjukkan bahwa peledakan harus selalu mengarah ke bidang bebas

untuk batuan dapat mengembang secara bebas.

Gambar 3.9. Peledakan di sekitar lubang tembak

Pada peledakan sistem jenjang, selalu tersedia paling sedikit satu bidang bebas

yang sejajar dengan lubang tembak yang terbentuk oleh peledakan sebelumnya.

Dalam peledakan terowongan tidak ada bidang bebas yang sejajar dengan lubang

tembak karena lubang-lubang tembaknya dibor searah dengan sumbu

terowongan. Dengan demikian, langkah yang pertama dilakukan pada peledakan

dalam terowongan adalah membuat suatu cut yang berfungsi menjadi bidang

bebas bagi lubang-lubang tembak yang meledak selanjutnya setelah cut

diledakkan.

C. Rangkuman

1. Fenomena mekanisme pecahnya batuan akibat proses peledakan ini, dapat

dilihat pada teori-teori:

Teori Refleksi (Reflection Theory)


Teori Ekspansi gas (Gas Expansion Theory)

Frexural Rupture

Gelombang Stress (Stress Wave)

Teori Torque (Torque Theory)

Teori Kawah (Cratering Theory)

2. Pembentukan rekahan akibat proses peledakan dipengaruhi oleh kondisi

batuan, antara lain oleh anisotropi, tingkat retakan awal, dan distribusi

tegangan awal.

3. Fase-fase pembebanan yang dialami batuan dalam proses peledakan adalah

pembebanan dinamis, pembebanan quasi-statis atau semi-statis, dan

pelepasan beban.

4. Peranan bidang bebas (free face), antara lain adalah:

Menimbulkan rekahan pada bidang bebas

Mempengaruhi pola rekahan

Mempengaruhi medan tegangan di sekitar lubang tembak

5. Dalam peledakan terowongan tidak ada bidang bebas yang sejajar dengan

lubang tembak karena lubang-lubang tembaknya dibor searah dengan

sumbu terowongan. Sebagai penggantinya dibuat suatu cut yang berfungsi

menjadi bidang bebas bagi lubang-lubang tembak yang meledak selanjutnya

setelah cut diledakkan.

D. Evaluasi

1. Coba jelaskan apa yang akan terjadi pada batuan bilamana bahan peledak

yang diisikan ke dalam lubang tembak kemudian diledakkan?

2. Fenomena apa saja yang akan terjadi saat mekanisme pecahnya batuan

akibat proses peledakan yang anda ketahui?

3. Sebutkan dan jelaskan secara rinci pembebanan-pembebanan yang terjadi

terhadap batuan saat dilakukan peledakan?

4. Sebutkan dan jelaskan peranan bidang bebas (free face) yang anda ketahui?


III. EVALUASI AKHIR

A. Tes Objektif

1. Apa latar belakangnya kita harus mempelajari Teori Peledakan untuk para

pengelola peledakan bahan galian?

2. Sebutkan tujuan umum dari pembelajaran Teori Peledakan yang anda

ketahui?

3. Apa yang dimaksud dengan bahan peledak yang anda ketahui?

4. Sebutkan dan jelaskan jenis-jenis energi yang dihasilkan dari proses

peledakan bahan galian yang berguna dan terpakai (work energy)?

5. Sebutkan dan jelaskan jenis-jenis energi terbuang (waste energy) yang

umumnya sebagai energi tak berguna (sampah) dalam proses peledakan?

6. Fenomena-fenomena apa saja yang akan terjadi saat mekanisme pecahnya

batuan akibat proses peledakan yang anda ketahui?

7. Sebutkan dan jelaskan dengan rinci pembebanan-pembebanan yang terjadi

terhadap batuan saat dilakukan peledakan pada batuan tersebut?

8. Sebutkan rumus persamaan gelombang Longitudinal atau Primer yang anda

ketahui?

9. Tentukan formula/rumus untuk mengukur besarnya tekanan yang ditimbulkan

akibat reaksi kimia suatu proses peladakan?

10. Terdapat 2 (dua) jenis gelombang seismik yang terjadi akibat peledakan,

sebutkan dan jelaskan?

B. Tes Kinerja

1. Sebutkan dan jelaskan dengan menggunakan gambar tentang perambatan

gelombang longitudinal dalam sebuah batang?

2. Coba jelaskan apa yang akan terjadi pada batuan bilamana bahan peledak

yang diisikan ke dalam lobang tembak kemudian diledakkan?


KUNCI JAWABAN

A. Kunci Jawaban Pembelajaran 1

1. Reaksi yang terjadi pada bahan peledak kimia, yaitu:

Detonation, menunjukkan reaksi kimia yang terjadi pada bahan peledak

dengan kecepatan yang lebih cepat daripada kecepatan suara dan

menyebabkan shattering effects.

Deflageration, menunjukkan reaksi kimia yang lebih lambat daripada

kecepatan suara dan menyebabkan heaving effects.

2. Ada 2 (dua) jenis energi yang dihasilkan dari proses peledakan bahan galian

yang berguna dan terpakai (work energy), yaitu:

Energi kejut (shock energy), adalah energi yang ditransmisikan terhadap

batuan sebagai akibat dari tekanan detonasi bahan peledak. Energi kejut

ini memiliki tekanan yang jauh lebih besar dari energi gas walaupun

hanya mampu bertahan dalam interval waktu yang sangat singkat. High

Explosives dapat memproduksi energi kejut sebesar 15% dari total energi

terpakai.

Energi gas (gas energy), adalah energi yang dilepaskan selama proses

detonasi yang menyebabkan mayoritas pemecahan batuan pada proses

peledakan dengan lubang tembak terkurung (confined blasthole). Low

Explosives umumnya hanya memproduksi energi gas (gas energy/gas

pressure) selama proses detonasi, sedangkan High Explosives dapat

memproduksi energi gas sebesar 85% dari total energi terpakai.

3. Formula/rumus untuk menentukan besarnya tekanan yang ditimbulkan akibat

reaksi kimia suatu proses peladakan adalah sebagai berikut:

P = 4,18 x 10-7 SGe Ve2 / (1 + 0,8 SGe)

dimana:

P = Tekanan reaksi kimia, dalam kilobars (1 kilobars = 14.504 psi)

SGe = Spesifik Graviti dari bahan peledak

Ve = Kecepatan ledakan, dalam ft/sec


4. Jenis-jenis energi terbuang (waste energy) yang umumnya sebagai energi

tak berguna (sampah) dalam proses peledakan adalah:

Energi panas, merupakan akibat adanya reaksi kimia yang terjadi pada

bahan peledak bersifat eksoterm, sehingga dihasilkan panas temperature

pada jumlah tertentu.

Energi sinar/cahaya, adalah merupakan salah satu produk yang dihasilkan

dari reaksi kimia bahan peledak pada saat dinyalakan/diledakkan.

Kontribusi energi untuk menimbulkan kilatan sinar/ cahaya ini relatif kecil.

Energi suara, hampir semua peristiwa peledakan menghasilkan suara,

kontribusi energi peledakan untuk menimbulkan suara jumlahnya cukup

besar. Pada keadaan normal, suara peledakan dapat mencapai 140 dB

yang merupakan batas ambang peledakan yang tidak menimbulkan

kerusakan material (aman bagi infrastruktur, peralatan, dan lain-lain).

Energi seismik, menghasilkan gelombang yang merupakan transmisi

energi melalui massa batuan yang solid.

5. Terdapat 2 (dua) jenis gelombang seismik yaitu:

Body waves yang merupakan gelombang yang merambat dan melakukan

penetrasi di dalam tubuh massa batuan.

Surface waves yang merupakan gelombang yang merambat sepanjang

permukaan dan tidak melakukan penetrasi ke dalam massa batuan.

Umumnya, surface waves memiliki energi yang lebih besar, lebih lambat

dan menghasilkan pergerakan yang lebih besar.

6. Panas yang dihasilkan ANFO ditambah Alumunium yang reaksinya

berikutnya: 4,5N2H4O3 + CH2 + AL 4,5 N2 +10H2O + CO2 + 0,5 AL2O3

(a) Perhitungan kalori panas

4,5N2H4O3 + CH2 + AL = Reaktan

4,5(-87,3) + (-7) + (0) = Panas pembentukan reaktan

-399,85 Kcal = Qr

4,5 N2 +10H2O + CO2 + 0,5 AL2O3 = Produkta

4,5 (0)+ 10(-57,8) + (-94,1) + 0,5(-399,1) = Panas pembentukan produk

-871,65 Kcal = Qp


-871,65 – (-399,85) = -471,8 Kcal = Qe


Nitroglycerin (NG)= 20%Trinitrotoluene (TNT)= 15%Ammonium Nitrate (AN)= 55%SG pulp (SG)= 10%

Total= 100%

(b) Perhitungan berat molekul

4,5N2H4O3 + CH2 + AL = 4,5(80,1 gr) + 14 gr + 27 gr = 401,45 gr

(c) Panas peledakan (Kcal / Kg)

7. Bahan peledak diramu dari campuran bahan-bahan di bawah ini:

Evaluasi oleh Saudara apakah hasilnya zero oxygen balance?

Bahan % c h n o oCa oNa

NG 20 0,264 0,440 0,264 0,790 -- -- TNT 15 0,462 0,330 0,198 0,396 -- -- AN 55 -- 2,748 1,374 2,061 -- -- SG 10 0,417 0,630 -- 0,214 -- --

Total 100 1,143 4,148 1,836 3,523 0,000 0,000

Selanjutnya dengan memakai persamaan (1.7), maka OB dapat ditentukan

sebagai berikut:

OB = (o ) – 2c – h / 2

OB = 3,523 – 2,286 – ½ (4,148)

OB = 3,523 – 4,360 = – 0,837 gram atom/100 gram campuran

Hasil perhitungan menunjukkan bahwa campuran tersebut underoxidized dan

akan menghasilkan sejumlah gas CO.

8. Campuran bahan peledak AN, NG dan SG akan menghasilkan produk N2,



Substitusikan berat molekul masing-masing senyawa:

11(80) + 2(227) + 1(162) = 12(44) + 32(18) + 14(28)

880 + 454 + 162 = 528 + 576 + 392


−471,8 Kcal401,45 gr

x1000 grKg

=−1175,24 Kcal / Kg

1496 g = 1496 g (zero oxygen balanced)

Prosentase berat masing-masing senyawa adalah:

AN = NH4NO3 = (880 / 1496) x 100 = 58,80%

NG = C3H5(NO3)3 = (454 / 1496) x 100 = 30,40%

SG = C6H10O5 = (162 / 1496) x 100 = 10,80%

B. Kunci Jawaban Pembelajaran 2

1. Rumus persamaan gelombang Longitudinal atau Primer adalah:

∂2 Δ∂ t2

=Cp2∇

2 Δ

dimana:

Cp = Kecepatan merambat gelombang Longitudinal pada medium

G = Modulus batuan

λ = Konstanta Lame

ρ = Density

( λ+2G

ρ )½ = Cp

Δ = ∑xx + ∑yy + ∑zz = dilatasi atau perubahan volume

∇2= ∂2

∂x2+ ∂2

∂y2+ ∂2

∂z2

2. Rumus persamaan gelombang Transversal atau Sekunder adalah:

∂2


dimana:

Cs = Kecepatan merambat gelombang Transversal pada

medium

G = Modulus batuan

ώx adalah rotasi pada sumbu x.

(G

ρ )½ = Cs

ρ = Density


kawat penggantung

Tekanan


μx(t)

dx

dMijxdx

x

xxxx )(

xx

∇2= ∂2

∂x2+ ∂2

∂y2+ ∂2

∂z2

3. Perambatan gelombang longitudinal dalam sebuah batang adalah

merupakan perambatan energi satu dimensi yang paling sederhana (lihat

Gambar). Partikel dalam batang akan bergetar sebagai akibat dari pukulan

yang diberikan pada salah satu ujungnya. Besarnya pergeseran partikel yang

bergetar pada titik tertentu adalah merupakan fungsi waktu atau μx(t). Untuk

mencari hubungan antara pergerakan partikel dengan tegangan yang timbul,

maka efek inersia dari gerakan partikel harus diperhitungkan.

(a)

0 x

(b)

C. Kunci Jawaban Pembelajaran 3

1. Bilamana bahan peledak yang diisikan ke dalam lubang tembak diledakkan,

maka gas bertekanan tinggi yang dihasilkan dalam proses peledakan

tersebut akan menekan dinding lubang tembak dan menimbulkan gelombang

tekanan yang merambat ke badan batuan di sekitar lubang tembak tersebut.

Tegangan yang terjadi di daerah sekitar dinding lubang tembak dapat

melebihi kekuatan daripada batuan yang menyebabkan terjadinya

penggerusan batuan.


2. Fenomena-fenomena yang akan terjadi saat mekanisme pecahnya batuan

akibat proses peledakan, dapat dilihat pada teori-teori:

a. Teori Refleksi (Reflection Theory)

b. Teori Ekspansi gas (Gas Expansion Theory)

c. Frexural Rupture

d. Gelombang Stress (Stress Wave)

e. Teori Torque (Torque Theory)

f. Teori Kawah (Cratering Theory)

3. Pembebanan-pembebanan yang terjadi terhadap batuan saat dilakukan

peledakan pada batuan tersebut, adalah:

a. Pembebanan Dinamis, akan terjadi reaksi peledakan yang dibagi dalam

3 (tiga) zona, yaitu zona kejut, zona transisi, dan zona elastis.

1) Pada zona kejut, akan terjadi gelombang kejut yang menyebabkan

batuan mengalami peremukan atau retakan yang hebat. Luas zona

kejut ini dapat mencapai radius dua kali radius lubang tembak.

2) Pada zona transisi, akan terbentuk retakan baru yang berkembang

secara radial. Pembentukan retakan menghabiskan energi

sehingga energi gelombang menjadi berkurang intensitasnya.

Radius dari zona transisi ini bisa mencapai 4 sampai 6 kali radius

lubang tembak.

3) Pada zona elastis, dimana penyebaran atau perpanjangan rekahan

pada zona ini hanyalah merupakan perpanjangan dari rekahan

terpanjang dari zona transisi. Perpanjangan rekahan ini hanya

sampai kira-kira 9 kali radius lubang tembak.

b. Pembebanan Quasi-Statis (semi statis), hal ini terjadi akibat dari:

1) Tekanan gas yang sangat tinggi di dalam lubang tembak.

2) Gas bertekanan sangat tinggi tersebut akan mengalir ke dalam

rekahan yang dibentuk pada waktu pembebanan dinamis dan

menghasilkan aksi baji, sehingga rekahan bertambah panjang.

c. Pelepasan Beban, terjadi pada saat:

a. Pada waktu batuan bergerak dan menimbulkan tegangan tarik

pada massa batuan yang sedang bergerak, sehingga terjadi

pemisahan lanjutan.


b. Tegangan tarik yang dominan terjadi di daerah permukaan kerja

atau bidang bebas dan membentuk rekahan lebar, kemudian

didorong oleh tekanan gas yang masih tersisa menjadi fragmen

batuan.

4. Peranan bidang bebas (free face), antara lain adalah:

a. Menimbulkan rekahan pada bidang bebas

Hal ini disebabkan oleh karena gelombang kompresi yang merambat

secara radial dari lubang tembak akan dipantulkan kembali sebagai

gelombang tarik pada waktu mencapai bidang bebas.

b. Mempengaruhi pola rekahan

Karena adanya gelombang tarik yang dipantulkan seolah-olah berasal

dari bayangan lubang tembak dimana bidang bebas sebagai cerminnya.

Gelombang tarik ini akan merambat kembali menuju lubang tembak.

c. Mempengaruhi medan tegangan di sekitar lubang tembak

Sehingga akan merubah pola penyebaran rekahan. Ilustrasi ini

menunjukkan bahwa peledakan harus selalu mengarah ke bidang

bebas untuk batuan dapat mengembang secara bebas.

D. Kunci Jawaban Evaluasi Akhir

a. Tes Objektif

1. Dapat memberikan suatu pendekatan yang sistematis dan luas kepada

pengelola peledakan bahan galian untuk memahami dan melaksanakan

teknik-teknik dan prosedur peledakan untuk bahan galian di lapangan.

Disamping itu, agar dapat melaksanakan kegiatan peledakan sesuai dengan

rencana yang diharapkan.

2. Agar para pengelola peledakan bahan galian dapat mengenal dan

memahami teori-teori energi baik yang bermanfaat maupun tidak yang

ditimbulkan akibat peledakan, baik terhadap lingkungan kerja maupun pada

batuan yang diledakkan itu sendiri.

3. Bahan peledak adalah senyawa kimia atau campuran senyawa kimia yang

apabila dikenakan panas, benturan, gesekan atau kejutan (shock) secara

cepat dengan sendirinya akan bereaksi dan terurai (exothermic

decomposition).


4. Ada 2 (dua) jenis energi yang dihasilkan dari proses peledakan bahan galian

yang berguna dan terpakai (work energy), yaitu:

Energi kejut (shock energy), adalah energi yang ditransmisikan terhadap

batuan sebagai akibat dari tekanan detonasi bahan peledak. Energi

kejut ini memiliki tekanan yang jauh lebih besar dari energi gas

walaupun hanya mampu bertahan dalam interval waktu yang sangat

singkat. High Explosives dapat memproduksi energi kejut sebesar 15 %

dari total energi terpakai.

Energi gas (gas energy), adalah energi yang dilepaskan selama proses

detonasi yang menyebabkan mayoritas pemecahan batuan pada proses

peledakan dengan lobang tembak terkurung (confined blasthole). Low

Explosives umumnya hanya memproduksi energi gas (gas energy/gas

pressure) selama proses detonasi, sedangkan High Explosives dapat

memproduksi energi gas sebesar 85% dari total energi terpakai.

5. Jenis-jenis energi terbuang (waste energy) yang umumnya sebagai energi

tak berguna (sampah) dalam proses peledakan adalah:

Energi panas, merupakan akibat adanya reaksi kimia yang terjadi pada

bahan peledak bersifat eksoterm, sehingga dihasilkan panas

temperature pada jumlah tertentu.

Energi sinar/cahaya, adalah merupakan salah satu produk yang dihasilkan

dari reaksi kimia bahan peledak pada saat dinyalakan/diledakkan.

Kontribusi energi untuk menimbulkan kilatan sinar/cahaya ini relatif

kecil.

Energi suara, hampir semua peristiwa peledakan menghasilkan suara,

kontribusi energi peledakan untuk menimbulkan suara jumlahnya cukup

besar. Pada keadaan normal, suara peledakan dapat mencapai 140 dB

yang merupakan batas ambang peledakan yang tidak menimbulkan

kerusakan material (aman bagi infrastruktur, peralatan, dan lain-lain).

Energi seismik, menghasilkan gelombang transmisi energi melalui massa

batuan yang solid.

6. Fenomena-fenomena yang akan terjadi saat mekanisme pecahnya batuan

akibat proses peledakan, dapat dilihat pada teori-teori:

1) Teori Refleksi (Reflection Theory)


2) Teori Ekspansi gas (Gas Expansion Theory)

3) Frexural Rupture

4) Gelombang Stress (Stress Wave)

5) Teori Torque (Torque Theory)

6) Teori Kawah (Cratering Theory)

Pembebanan-pembebanan yang terjadi terhadap batuan saat dilakukan

peledakan pada batuan tersebut, adalah:

a. Pembebanan Dinamis, akan terjadi reaksi peledakan yang dibagi dalam

3 (tiga) zona, yaitu zona kejut, zona transisi, dan zona elastis.

1) Pada zona kejut, akan terjadi gelombang kejut yang menyebabkan

batuan mengalami peremukan atau retakan yang hebat. Luas zona

kejut ini dapat mencapai radius dua kali radius lobang tembak.

2) Pada zona transisi, akan terbentuk retakan baru yang berkembang

secara radial. Pembentukan retakan menghabiskan energi sehingga

energi gelombang menjadi berkurang intensitasnya. Radius dari

zona transisi ini bisa mencapai 4 sampai 6 kali radius lobang

tembak.

3) Pada zona elastis, dimana penyebaran atau perpanjangan rekahan

pada zona ini hanyalah merupakan perpanjangan dari rekahan

terpanjang dari zona transisi. Perpanjangan rekahan ini hanya

sampai kira-kira 9 kali radius lobang tembak.

b. Pembebanan Quasi-Statis (Semi Statis), hal ini terjadi akibat dari:

1) Tekanan gas yang sangat tinggi di dalam lobang tembak.

2) Gas bertekanan sangat tinggi tersebut akan mengalir ke dalam

rekahan yang dibentuk pada waktu pembebanan dinamis dan

menghasilkan aksi baji, sehingga rekahan bertambah panjang.

c. Pelepasan Beban, terjadi pada saat:

1) Pada waktu batuan bergerak dan menimbulkan tegangan tarik pada

massa batuan yang sedang bergerak, sehingga terjadi pemisahan

lanjutan.

2) Tegangan tarik yang dominan terjadi di daerah permukaan kerja

atau bidang bebas dan membentuk rekahan lebar, kemudian


didorong oleh tekanan gas yang masih tersisa menjadi fragmen

batuan.

7. Rumus persamaan gelombang Longitudinal atau Primer adalah:

∂2 Δ∂ t2

=Cp2∇

2 Δ

dimana:

Cp = Kecepatan merambat gelombang Longitudinal pada medium

G = Modulus batuan

λ = Konstanta Lame

ρ = Density

( λ+2G

ρ )½ = Cp

Δ = ∑xx + ∑yy + ∑zz = dilatasi atau perubahan volume

∇2= ∂2

∂x2+ ∂2

∂y2+ ∂2

∂z2

8. Formula/rumus untuk menentukan besarnya tekanan yang ditimbulkan akibat

reaksi kimia suatu proses peladakan adalah sebagai berikut:

P = 4,18 x 10-7 SGe Ve2 / (1 + 0,8 SGe)

dimana:

P = Tekanan reaksi kimia, dalam kilobars (1 kilobars = 14.504 psi)

SGe = Spesific Gravity dari bahan peledak

Ve = Kecepatan ledakan, dalam ft/sec

9. Terdapat 2 (dua) jenis gelombang seismik yaitu:

a. Body waves yang merupakan gelombang yang merambat dan melakukan

penetrasi di dalam tubuh massa batuan.

b. Surface waves yang merupakan gelombang yang merambat sepanjang

permukaan dan tidak melakukan penetrasi ke dalam massa batuan.

Umumnya, surface waves memiliki energi yang lebih besar, lebih lambat

dan menghasilkan pergerakan yang lebih besar.


kawat penggantung

Tekanan


μx(t)

dx

dMijxdx

x

xxxx )(

xx

b. Tes Kinerja

1.

(a)

0 x

(b)

Perambatan gelombang longitudinal dalam sebuah batang adalah

merupakan perambatan energi satu dimensi yang paling sederhana (lihat

Gambar). Partikel dalam batang akan bergetar sebagai akibat dari pukulan

yang diberikan pada salah satu ujungnya. Besarnya pergeseran partikel yang

bergetar pada titik tertentu adalah merupakan fungsi waktu atau μx(t). Untuk

mencari hubungan antara pergerakan partikel dengan tegangan yang timbul,

maka efek inersia dari gerakan partikel harus diperhitungkan.

2. Bilamana bahan peledak yang diisikan ke dalam lobang tembak diledakkan,

maka gas bertekanan tinggi yang dihasilkan dalam proses peledakan

tersebut akan menekan dinding lobang tembak dan menimbulkan gelombang

tekanan yang merambat ke badan batuan di sekitar lobang tembak tersebut.

Tegangan yang terjadi di daerah sekitar dinding lobang tembak dapat

melebihi kekuatan daripada batuan yang menyebabkan terjadinya

penggerusan batuan.


DAFTAR PUSTAKA

1. Calvin J. Konya & Edward J. Walter;, “Surface Blast Design”, Prentice Hall,

Englewood Cliffs, New Jersey 07632, 1990.

2. William Hustrulid;, “Blasting Principles for Open Pit Mining”, Volume 2 -

Theoretical Foundations, A.A. Balkema/Rotterdam/Brookfield, 1999.

4. Dr. Ir. S. Koesnaryo, M.Sc. “Rancangan Peledakan Batuan(Design of Rock

Blasting)” ., Jurusan Teknik Pertambangan Universitas Pembangunan

Nasional “Veteran” Yogyakarta, 2001.

3. ……………….;, “Kamus Pertambangan Umum”, Pusat Pengembangan dan

Penelitian Teknologi Mineral, 1997.


Teknik Peledakan

Documents