PAPER FISIKA BATUANPENGARUH STRES UNAXIAL, TRIAXIAL, DAN KADAR AIR PADA KONDUKTIFITAS TERMAL BATUAN

Disusun oleh :Zulfani Aziz351173

1. PendahuluanTransfer energi yang timbul terutama dari perbedaan suhu antara bagian benda yang berdekatan disebut konduksi panas. Transfer ini melalui benda berlangsung dengan gerak elektron bebas, gelombang kisi (sebagai energi getaran molekul), eksitasi magnet dan radiasi elektromagnetik [1].Panas di bebatuan sekitar bukaan bawah tanah umumnya ditransmisikan ke permukaan bukaan ini dengan mekanisme konduksi.Menurut hukum Fourier tentang konduksi, panas yang ditransfer melalui penampang dari bahan batuan padat secara umum berjumlah (1)di mana Q adalah laju perpindahan panas ke bukaan dalam waktu t (J), k adalah koefisien konduktivitas termal dari bahan padat (W/m0C), A adalah luas permukaan crosssection dari bahan padat (m2), t adalah waktu (s) dan dT / dx adalah gradient suhu (0C / m).Dalam kasus tambang bawah tanah panas ditransfer ke permukaan penggalian menurut Pers.(1) disebarkan oleh konveksi melalui udara tambang ke permukaan bumi melalui lubang pembangunan. Dalam hal ini, solusi spesifik digunakan untuk wallrock, panas mengalir ke lubang tambang yang berasal dari persamaan Fourier untuk perpindahan panas konduktif diberikan oleh Hartman et al.[2]sebagai berikut: (2)di mana q adalah aliran panas per satuan waktu (W/m0C), S adalah luas permukaan bukaan (m2) = OL, O adalah perimeter (m), L adalah panjang (m), re adalah radiushidrolik pembukaan dimodifikasi untuk kekasaran (m), Tradalah suhu batu-virgin (0C), Tdadalah suhu bulb kering (0C), dan adalah koefisien aliran panas Goch-Patterson (tak berdimensi).Jumlah panas yang ditransfer ke permukaan bukaan bawah tanah tergantung pada konduktivitas termal batuan yang dicirikan oleh koefisien konduktivitas termal k seperti yang diberikan pada Persamaan.(1).Koefisien ini adalah parameter bahan yang tergantung pada konstituen yang solid, bentuk bijih, porositas, struktur pori, kisaran suhu, kadar air, dan stres yang diberikan pada batu, dan sebagainya [1-12].Penentuan k cukup penting, karena memainkan peran yang dominan pada aliran panas dari dan ke batuan di bawah tanah permukaan bukaan.Ada banyak teknik untuk pengujian laboratorium dari konduktivitas termal bahan seperti metode axial flow, metode guarded hot plate, metode hot wire, dan sebagainya[13-16],dan sejumlah penelitian yang menunjukkan perbedaan pengukuran k yaitu lebih tinggi in situ daripada dalam kondisi laboratorium[17-19].Perbedaan ini mungkin sebesar dua[17]atau empat[20]kali.Fenomena ini muncul sebagian besar dari distribusi stress bergantung kedalaman dan saturasi pada batuan sekitarnya di sekitar bukaan bawah tanah[1,4,5,10].Dalam hal ini, Walsh dan Decker[10]mengacu pada variasi konduktivitas termal dengan menutup retak dan porositas bergantung pada rentang stres.Pendekatan serupa telah diambil oleh Sibbitt[11],Zimmerman[12],dan Clauser Huenges[3],Duruturk[4],Duruturk et al..[5]dan Demirci et al..[1].Penyelidikan ini menunjukkan bahwa konduktivitas termal bervariasi dengan tekanan dalam hubungan langsung. Sibbitt[11],dengan menggunakan data dari Walsh dan Decker[10],menyatakan hubungan ini sebagai berikut: (3)di mana k0 adalahkoefisien konduktivitas termal dari batu dalam kondisi normal, P adalah tekanan, dan m adalah parameter konstan bergantung jenis batu dalam kompresi uniaksial.Menggunakan data yang sama Zimmerman[12]telah menyatakan nilai konduktivitas tergantung pada retak porositas dan tekanan dalam bentuk berikut: (4) (5)dimana ksadalah konduktivitas termal dari material yang solid di bawah tekanan '' tinggi'', dan fcadalah porositas retak.Duruturk[4],Duruturk et al.[5]dan Demirci et al.[1]menyatakan hubungan ini dalam bentuk fungsi bersifat penyimpangan seperti yang diberikan di bawah ini: (6) di mana k0 adalahkoefisien konduktivitas termal dari batu utuh dalam kondisi normal (W/m0C), 1adalah stres uniaksial (MPa), dan dan n adalah parameter konstan bergantung jenis batu dalam kompresi uniaksial.Parameter dan n bervariasi dari batu ke batu dan dapat ditentukan hanya menggunakan tes laboratorium di bawah tekanan.Implementasi tes ini memakan waktu dan tenaga.Oleh karena itu, sangat penting untuk mengembangkan beberapa model untuk prediksi parameter ini.Di sisi lain, pengaruh kadar air batu dan beberapa bahan pada konduktivitas termal disebut oleh karya penelitian yang berbeda[6,9,12,21-23].Karya-karya ini menguraikan sebagian besar pada kadar air dan derajat kejenuhan mengenai hubungan antara konduktivitas termal dan parameter ini.Dalam konsep dari penelitian ini, tujuan penulis adalah untuk mempelajari pengaruh kadar air dan tingkat stress uniaksial dan triaksial pada konduktivitas termal batuan dan untuk menentukan besarnya saling ketergantungan antara parameter terkait seperti , n dan faktor lainnya.Pengetahuan pada besarnya faktor ini akan membantu perencana perttambangan untuk menghitung dan memprediksi aliran panas di bukaan bawah tanah dalam waktu singkat dan perhitungan yang lebih tepat.Tujuan dari pendekatan ini adalah untuk menghitung beban pendinginan berdasarkan jumlah panas yang diperkirakan pada asumsi yang lebih tepat sehingga kondisi aliran panas dari tambang bawah tanah dapat disimulasikan dalam skala laboratorium.2. Metode dan Pengumpulan DataPengukuran nilai konduktivitas termal dilakukan pada peralatan steady-state yang dikembangkan oleh Demirci et al..[1]dan ditunjukkan padaGambar.1.Alat ini dapat digunakan untuk penentuan perilaku konduktivitas termal dari setiap batu dengan atau tanpa aplikasi tekanan.Sebelum melakukan tes, sampel batuan yang berbeda disusun dalam bentuk inti (diameter 54 mm) dan memotong dalam bentuk irisan memiliki ketebalan 40 mm.

Gambar.1.Skema diagram set-up percobaanPengujian dilakukan dalam dua tahap.Pada tahap pertama, pengukuran konduktivitas dilakukan dalam sampel kering yang terdiri dari batuan beku, metamorf, dan batuan sedimen dengan atau tanpa aplikasi tekanan.Secara umum, 19 unit batuan yang berbeda yang digunakan dalam pengukuran ini.Tes tahap kedua dilaksanakan pada sampel yang mengandung derajat kelembaban yang berbeda, yang bervariasi antara sampel jenuh air dan kering.Dalam konteks tes ini digunakan lima unit batuan yang berbeda.Hal ini lebih dipilih untuk membatasi jumlah tes dengan kadar air bervariasi karena kondisi tes yang tidak sesuai dan lamanya waktu tes.Mengenai tes tahap kedua, pertama-tama spesimen dijenuhkan dengan pencelupan air dalam vakum kurang dari 800N/m2dalam waktu setidaknya 1 jam, dengan periode agitasi untuk menghilangkan udara yang terjebak[24].Nilai kadar air medium diperoleh melalui pengeringan udara dalam periode waktu tertentu.Semua rasio kadar air tersebut ditentukan sesuai dengan metode yang disarankan oleh ISRM[24]. Dalam tes ini sampel lembab telah ditempatkan dalam kantong zip-lock plastik sebagaimana dilakukan oleh Ashworth[6].Dilanjutkan menyiapkan sampel batuan kering dan yang mengandung air, tes dilakukan dengan peralatan yang disebutkan di atas sesuai dengan metode yang disarankan oleh Demirci et al.[1].

3. Hasil dan Pembahasan3.1.Hasil pengujian dengan spesimen keringUntuk menganalisis konduktivitas termal batuan dengan stres uniaksial, spesimen batuan yang diambil dari berbagai daerah(Tabel 1)disusun dengan menggunakan mekanika batuan standar peralatan laboratorium.Nilai tes pada dasar spesimen tersebut diplot pada grafik seperti yang diberikan dalamGambar.2 dan 3.Angka-angka ini menunjukan bahwa semua batu menunjukkan perilaku yang menyimpang dengan kemiringan yang tinggi di awal dan lebih rendah mengikuti peningkatan stres.Dalam semua kasus, angka yang diperoleh menunjukkan perilaku yang kurang lebih sama seperti dinyatakan dalam model yang diberikan dalam Persamaan.(6).Model ini telah dikembangkan dengan menggunakan analisis regresi.Parameter m dan n dalam model bervariasi dari batu satu ke batu yang lain dan dapat ditentukan hanya menggunakan tes laboratorium di bawah tekanan. Karena pelaksanaan tes ini memakan waktu dan tenaha, beberapa tes mekanika batuan seperti kadar air, porositas, densitas, kekerasan, kuat tekan uniaxial dan deformabilitas, dan sebagainya dilakukan untuk mengembangkan beberapa model untuk prediksi parameter-parameter yang disebutkan di atas. Penyelidikan ini menunjukkan bahwa parameter dan n bergantung pada besarnya modulus elastisitas (E).Tabel 1Persamaan konduktivitas thermal bergantung tekanan untuk beberapa batuRockMineralscontentsspecimensElasticmodulus, E (GPa)Thermal conductivity coefficient, k k0+msn1 (W/ m1C)Regression coefficient(R2)

MonzoniteQuartz, pyroxene, biotite, plagioclase39.045.3868+2.2554s0.299210.9977

SandstoneChlorite,calcite, biotite, quartz, feldspar, rock fragments.34.92( Zonguldak )5.5668+1.8624s0.305210.9967

Conglomerate Igneous, metamorphic and sedimentary rock fragments, chlorite, calcite, 31.60 biotite, quartz, feldspar, opaque minerals.5.2893+2.0155s0.288910.9961

Black limestoneCalcite35.815.4952+2.0486s0.274010.9954

YellowtravertineCalcite29.554.4423+1.2091s0.368710.9904

Afyon sugar marbleCalcite35.164.5753+2.0659s0.259310.9941

Mugla white marbleCalcite, dolomite28.794.6755+1.3447s0.357210.9983

Zile beigeCalcite35.375.4373+2.0287s0.281110.9950

Akkoy beigeCalcite33.845.5249+1.4509s0.366910.9822

Afyon skyblue marbleCalcite34.704.8981+2.1088s0.284310.9932

GypsumGypsum19.263.6890+1.1449s0.403210.9981

TuffBasaltic volcanicglass, pyroxenephenocrysts, plagioclase21.203.8637+1.0880s0.448410.9957

SerpentiniteSerpentineminerals33.424.6049+2.0470s0.294410.9967

Divrigi marble Quartz, calcite,chlorite, pyrite43.406.7842+2.7376s0.241410.9971

PyroxeniteSerpentinized-chloritized39.356.2511+2.2936s0.266510.9962

DiabasePyroxene,olivine, apatite, opaque minerals27.814.9728+1.3978s0.359810.9977

ClayeyCalcite, clay minerals limestone33.004.7499+1.7614s0.304210.9988

SandstoneCalcite, quartz, feldspar, rock fragments.( Sivas )34.305.4177+1.8477s0.322910.9992

WhiteCalcitetravertine31.204.5473+1.6092s0.349310.9997

Gambar.2.Variasi konduktivitas termal batuan dengan tekanan.Upaya untuk menghubungkan parameter dan n dengan parameter batuan lainnya tidak memberikan hubungan yang dapat diterima. Gambar.3.Variasi konduktivitas termal batuan dengan tekananHubungan dengan E ditunjukkan padaGambar.4 dan 5dan dinyatakan dalam persamaan.(7) seperti yang diberikan di bawah ini: (7)Grafik persamaan ini sesuai dengan grafik yang diperoleh dari hasil uji laboratorium seperti ditunjukkan padaGambar.6.Seperti yang terlihat dalam gambar ini, variasi hasil tes dari Persamaan.(7) nilai-nilai terletak pada kisaran5%.Hasil ini menunjukkan bahwa Pers.(7) dapat digunakan untuk memprediksi nilai konduktivitas termal di bawah tekanan tanpa dilakukan tes ekstensif.

Gambar.4.Variasi-rock spesifik konstan parameter m dengan modulus elastisitas (E).

Gambar.5.Variasi konstanta parameter n-rock spesifik dengan modulus elastisitas (E).

Gambar.6.Thermalconductivityvalues seperti yang diperkirakan andmeasured.dengan menggunakan analisis regresi berdasarkan nilai uji rata-rata.

Axial Stress. (MPa)Gambar. 2. Variasi konduktivitas termal di bawah triaksial kompresi untuk batu pasir (atas dasar tegangan aksial).Confining Pressure (MPa)Gambar. 3. Variasi konduktivitas termal di bawah triaksial kompresi untuk batu pasir (atas dasar membatasi tekanan).

Axial Stress, (MPa)Gambar. 4. Variasi konduktivitas termal di bawah triaksial kompresi untuk konglomerat (atas dasar tegangan aksial).

Axial Stress, (MPa)Fig. 6. The variation of thermal conductivity under triaxial compression for gypsum (on the basis of axial stress).

Confining Pressure (MPa)Fig. 7. The variation of thermal conductivity under triaxial compression for gypsum (on the basis of confining pressure).

Confining Pressure (MPa)Fig. 5. The variation of thermal conductivity under triaxial compression for conglomerate (on the basis of confining pressure).Gambar. 2 dan 3 menyajikan grafik nilai konduktivitas termal batu pasir berdasarkan tekanan tiga dimensi. Grafik pertama berisi stres aksial pada sumbu x berubah dari nol sampai 60Mpa. Tekanan pembatas berubah dari nol sampai 15Mpa. Hubungan antara konduktivitas termal dan tekanan tiga dimensi menunjukkan bentuk perubahan

Axial Stress, (MPa)Fig. 8. The variation of thermal conductivity under triaxial compression for Zile beige marble (on the basis of axial stress).

Confining Pressure (MPa)Fig. 9. The variation of thermal conductivity under triaxial compression for Zile beige marble (on the basis of confining pressure).3.2.Hasil pengujian dengan spesimen basahPerilaku batuan lembab di bawah tekanan uniaksial diberikan padaGambar.7-11.Grafik ini menunjukkanGambar.7.Variasi konduktivitas termal dengan tekanan dan contentfor air tuff.

Gambar.8.Variasi konduktivitas termal dengan tekanan dan konglomerat contentfor air.

Gambar.9.Variasi konduktivitas termal dengan tekanan dan contentfor air batupasir (Sivas).sebuah hubungan penyimpangan seperti yang dinyatakan dalam paragraf sebelumnya.Ini berarti nilai konduktivitas termal batuan dalam kondisi lembab dan stres pasti akan meningkat.Meningkatnya pengaruh stres pada perilaku termal dapat disebabkan oleh saling mendekatnya butir batu satu sama lain dimana efek peningkatan kadar air dapat disebabkan oleh fakta bahwa

Gambar.10.Variasi konduktivitas termal dengan tekanan dan watercontent untuk travertine putih.

Gambar.11.Variasi konduktivitas termal dengan tekanan dan watercontent untuk clayeylimestone.