Desain Lereng pada Tambang Terbuka; dari Pendekatan Geologi dan Geomekanika

disarikan dari paper ; Slope design and implementation in open pit mines; geological and geomechanical approach by Jean-Alain FLEURISSON 


Lereng pada tambang terbuka harus diperhitungkan sebagai "bangunan geoteknik". Oleh karena itu desain dan implemetasinya harus dilakukan dengan seluruh pertimbangan termasuk dari segi teknik, ekonomi, lingkungan dan masalah keselamatan. Tetapi struktur ini dibuat pada kondisi geologi dan geomekanik alami yang terdapat struktur pada kondisi alami dari batuan yang mengontrol deformasi batuan dan tipe dari mekanisme longsoran. Sangat penting untuk mengimplementasikan metodologi yang dirumuskan dengan baik harus dilakukan berdasarkan fase sebagai berikut;

1. Karakteristik massa batuan yang didapat dari analisis data geologi dan geomekanik;
2. Menentukan perilaku deformasi dan mekanisme dari longsoran
3. Desain lereng dan perkuatan serta metode pemantauan kestabilan lereng.

Paper ini menggambarkan banyak teknik yang dapat digunakan untuk mencapai keberhasilan dan hasil dari implementasi teknik tersebut, juga limitasi yang dihadapi pada kasus pada desain lereng pada tambang terbuka.

Dinding lereng tambang dan kuari, banyak yang mencapai kedalaman beberapa ratus meter, harus diperhitungkan sebagai “pekerjaan geoteknik” pada bagian ini kita berbicara pada pekerjaan tambang atau pekerjaan teknik sipil. Desain dan implementasinya harus dilakukan berdasarkan pada aturan yang secara umum digunakan untuk menentukan geometri yang akan menjamin keamanan pada struktur, dilain sisi juga meminimalisir volume material yang akan digali yang pada akhirnya akan berhubungan pada segi ekonomi pekerjaan tersebut. Sebagai tambahan sisi ekonomis, perhatian utama pada yang harus dipertimbangakn adalah masalah lingkungan, terutama pada prosedur dari pasca tambang dimana masalah dapat terjadi pada periode jangka panjang.

Secara umum objek geoteknik yang mana terdapat strukutr geologi, pada konidisi alami dari massa batuan dan perilaku yang akan mengontrol terjadinya proses longsoran yang harus dipertimbangkan pada desain lereng. Maka dari itu hal yang pertama dilakukan adalah mengindentifikasi strukutur geologi untuk mencapai hasil implementasi yang tepat pada permodelan dan perhitungan.

Artikel ini mengingatkan kembali pada prinsip dasar dari desain lereng pada tambang terbuka, menyajikan teknik dan alat yang tersedia untuk mencapai keberhasilan pada desain lereng tersebut. 

Mempertimbangkan pentingnya tahap ini, desain lereng pada tambang terbuka harus berdasarkan metodologi terkontrol, bahwa setiap massa batuan digolongkan berdasarkan keunikan struktur geologinya, oleh karena itu tidak ada standar yang baku untuk mencapai solusi tepat dengan pasti. Metodologi ini dapat dibagi menjadi beberapa fase;1) karakteristik massa batuan yang didapat dari analisis data geologi dan geomekanik; 2) menentukan potensi dari dari mekanisme deformasi, longsoran dan model dari longsoran tersebut; 3) desain lereng dan perkuatan serta metode pemantauan kestabilan lereng. Fase ini dikembangkan oleh Cojean and Feurisson [1].

1). Karakteristik Massa Batuan 

Fase ini membutuhkan pengetahuan dari ilmu geologi, geomekanik dan hidrogeologi untuk melakukan observasi dan pengukuran. Hal ini menggunakan seluruh disiplin ilmu kebumian dan sains mekanika, terutama disiplin ilmu geologi teknik, geoteknik, mekanika tanah dan batuan, hidrogeologi dan hidrolika air tanah.

Pertama, pendekatan geologi sangat penting untuk menganalisa perilaku material. Geologis akan mengidentifikasi petrologi dari material (batuan atau tanah) dan keadaan pelapukan dan fracture batuan . Data ini penting untuk selanjutnya mengetahui karakteristik dari properti mekanik dari material. Hal ini juga menyediakan informasi dari keragaman dari paramater massa batuan. Geologis juga mengidentifikasi strukutur geologi dari massa batuan yang dapat digunakan unutk menentukan secara tepat hubungan antara perbedaan material dari massa batuan dan mekanisme deformasi dan longsoran.

Data yang didapat dari pendekatan geologi awal ini sangat penting karena akan menjadi panduan untuk optimasi investigasi lapangan geologi dan geoteknik menggunakan subsurface geophysical methods, operasi pengeboran atau penggalian dangkal dilakukan dengan excavator yang ekonomis dan menyediakan informasi yang bernilai. Disarankan untuk mempertimbangkan “geotechnical enhancement” dari seluruh lubang bor untuk perhitungan deposit dan evaluasi sumberdaya. Hal yang juga penting adalah untuk menjadwalkan investigasi lapangan khusus untuk tujuan geoteknik, agar dapat diperhitungkan perencanaan lereng akhir tambang.

Perhatian khusus harus diberikan pada bidang diskontinuitas yang memotong massa batuan pada skala yang berbeda beda. Keragaman alami dari geometri juga pada parameter dari bidang diskontinuitas membutuhkan pengetahuan statistik untuk melakukan metode sampling yang ketat. Termasuk beberapa tahap pengukuran lapangan dari bidang diskontinuitas melalui survey yang sistematis pada singkapan, bidang ekskavasi atau orientasi inti bor seperti klasifikasi dari orientasi set bidang diskontinu menggunakan teknik projeksi stereograpis atau klasifikasi otomatis seperti analisa statistic dari parameter geometri dari setiap set bidang diskontinu menggunakan histogram dari parameter geometric dan bidang diskontinu yang akan menghasilkan paramter seperti ; dip direction, dip angle, kemenerusan, panjang bidang dan isian dari bidang diskontinu.

Beberapa lubang bor dipasang piezometers untuk mengukur tinggi dari muka air tanah.

Perolehan data fisik  dan parameter mekanik yang didapat dari sampel intact dibutuhkan untuk perhitungan lanjutan, dilakukan pengujian laboratorium untuk menentukan parameter fisik batuan dan karakteristik deformasi dan kekuatan batuan seperti densitas, keohesi, sudut geser dalam dan kuat geser batuan. 

2) Menentukan perilaku deformasi dan mekanisme dari longsoran

Analisis dari struktur geologi, parameter geoteknik dari material dan juga analisis dari tekanan mekanis yang dihasilkan dari penggalian penambangan akan membantu menggambarkan kondisi paling kritis dan akan dapat diidentifikasi mekanisme longsoran dan perilaku deformasi batuan.

Secara umum, penyederhanaan dari mekanisme kritis menggunakan model homogen dan teknik yang secara umum dibutuhkan untuk pemodelan dan kemudian dilkukan perhitungan secara numerik yang memungkinkan untuk perhitungan resiko longsor. Setiap proses penyederhanaan yang melekat pada setiap model numerik tidak dapat dianggap remeh dan digunakan dengan pertimbangan. Pada setiap situasi kita harus dapat memperkirakan perbedaan yang dihasilkan dari pemodelan dan pada kenyataan di lapangan.

• Beberapa tipe mekanisme longsoran 

Pada gambar dibawah, beberapa mekanisme longsor yang tergantung pada struktur massa geologi, dimana geologis mengidentifikasi permukaan dan volume dengan deformasi dan kekuatan geser paling rendah.

Gambar 1. Beberapa proses dari longsoran lereng: (a) longsoran bidang, (b) longsoran baji, (c) longsoran guling, (d) longsoran busur (Hoek and Bray).

Pada mekanisme longsoran bidang; permukaan longsor berhubungan dengan formasi perlapisan bidang sedimen (bedding), bidang foliasi atau schist pada formasi metamorphosis atau kekar (crack) atau kontak lithology antara pelapukan lempung dan batuan asli/dasar.

Longsoran yang terjadi pada dua atau lebih bidang diskontinu terjadi pada massa batuan dan melibatkan mekanisme perpotongan dispanjang bidang diskontinu sebagai longsoran baji, banyak tipe dari longsoran guling seperti mekanisme kompleks seperti arching, bending, toppling atau buckling dari perlapisan batuan yang hampir tegak.
 

Material batuan yang tidak trelalu keras atau adanya bidang diskontinu yang berperan pada terjadinya mekanisme ini.

Pada tanah yang terdapat joint dan massa batuan yang terlapukkan dimana tidak ada strukutr geologi yang mengotnrol terjadinya mekanisme longsoran, longsoran dengan permukaan yang paling tidak stabil adalah longsoran busur. Longsoran busur adalah hasil dari deformasi lokal. Ini adalah pola dasar dari longsoran alami (landslide); namun bentuk spesifik dari longsoran ini tidak dapat digeneralkan.

Sering, permukaan gelincir (secara umum pbentuk convex) yang dijadikan bidang lemah dari massa batuan, contohnya : bidang diskontinu yang sudah ada, joints pada stratigrafi atau pada zona perlapukan yang dalam.

Pada banyak kasus, bidang diskontinu dari massa batuan sama dengan perilaku mekanik dari material batuan yang berperan penting pada proses deformasi dan mekanisme longsoran. Pada kasus ini,massa batuan dalam skala besar mekanisme longsoran yang kompleks dapat terjadi dan sulit untuk ditandai. Beberapa kasus, model numerik dapat memperhitungkan ada atau tidaknya bidang diskontinu pada massa batuan yang dapat menggambarkan kemungkinan proses deformasi secara teoritis. Implementasi dari model ini membutuhkan pengetahuan yang komprehensif dari parameter mekanik. Pada tahap awal dari project, sistem pemantauan dan instrument dapat dipasang untuk memantau perilaku dan respon dari massa batuan, untuk mencapai model terbaik.

3)  Modelling – Deformasi dan perhitungan faktor keamanan.

Seluruh pengumpulan data geologi, hidrogeologi dan mekanik yang dikumpulkan untuk memungkinkan pembuatan model geomekanik dari massa batuan yang akan digunakan dari model komputasi numerik yang disesuaikan untuk mengidentifikasi mekanisme longsor dan deformasi pada tahap sebelumnya.

Penting untuk diketahui dan mengklarifikasi model dari desain pit, seperti skala dari geometri bench (kestabilan dari single bench, tiga, empat, lima atau seluruh pit, 100m, 300m, atau lebih), tipe dari beban mekanis (stabilitas jangka pendek dan panjang selama fase operasi penambangan, kestabilan jangka panjang dari desain akhir lereng pit dan setelah proses rehabilitasi, kondisi kestabilan lereng pada kondisi ekstrim (studi resiko) yang berhubungan dengan hidrolika seperti muka air tanah yang tinggi ataupun gempa bumi ; akurasi dari data geologi, hidrogeologi, dan geoteknik yang dikumpulkan untuk penelitian yang akan memberikan pengetahuan tentang kondis alami lingkungan. Untuk mengatasi masalah akurasi pada beberapa dataset, perlu untuk dilakukan parametrik análisis untuk mempertimbangkan variasi realistik dari data parameter yang buruk/ pencilan dan juga dibandingkan dengan response dari deformasi yang diharapkan pada tanah ataupun massa batuan.
 

Setelah diketahui maslah yang ada maka, perhitungan deformasi dan kestbailan dari parameter dapat dilakukan.

Perhitungan faktor keamanan adalah berdasarkan dari teori Limit Equilibrium. Masalah mekanik di sederhanakan dan kestabilan lereng ditentukan menggunakan konsep dari faktor keamanan (FK) yang ditentukan dari perbandingan antara gaya maksimum dari penahan dan gaya penggerak disepanjang permukaan dengan potensi longsoran. Dari sisi teori, lereng stabil jaika FK lebih besar dari 1, tapi dalam kenyataan lapangan, level dari tingkat keamanan harus disesuaikan untuk mencapai akurasi dari data masukkan. Untuk kestabilan jangka pendek faktor keamanan 1.2 atau 1.3 dapat diterima, sedangkan untuk kestabilan jangka panjang 1.4 dan 1.5. Sangat bijakasana untuk melakukan perhitungan menggunakan nilai rata rata dari dari parameter mekanik dan juga nilai paling kecil yang wajar. Nilai ini akan diajdikan acuan untuk proses desain.

Pada beberapa kasus, penyederhanaan dari konsep faktor keamanan dan dari proses deformasi adalah terlalu berlebihan, dan diperlukan untuk melakukan perhitungan deformasi yang akan memberikan deformasi dari tanah dan massa batuan sebagai tanggapan terhadap beban mekanis dan hidrolis.