107 高普考高考三級 採礦工程 採礦學 考古題詳解
第 一 題20 分
砂金礦如何評估其是否具有開採價值?宜使用何種設備開採、選礦及冶煉,以取得黃金?
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核心觀念
本題考查採礦工程中「砂礦床(Placer Deposit)之經濟評價」與「採、選、冶一體化工程流程與設備選型」。砂金礦為原生金礦經長期風化、侵蝕、搬運後,於河流沖積層、洪積層或海灘沉積富集而成之二次礦床。
涉及的核心學理與指標包含:
- 礦床賦存與地質特徵:單體金粒呈游離態、比重極大(金比重約 ,脈石比重多在 之間)、脈石多為未膠結之砂礫與泥質。
- 開採價值評估指標:
- 邊界品位(Cut-off Grade)與最低可採品位(通常砂金品位以 計算)。
- 剝採比(Stripping Ratio):覆蓋層厚度與含金砂礫層厚度之比。
- 礦量計算公式: 其中 為金金屬儲量(), 為含金礦層體積(), 為平均品位()。
- 財務評價指標:淨現值(NPV)、內部報酬率(IRR)、回收年限(Payback Period)。
- 水資源與環境可容許度(砂金開採洗選需大量用水,排水懸浮物規範及水土保持為可行性關鍵)。
- 分選學理依據:金與脈石的密度差巨大(重選判定指標 Concentration Criterion ),故選礦首選重力選礦法(Gravity Concentration),冶煉多採火法熔煉或濕法提純。
解題方法
本題為典型的工程實務綜合申論題,答題架構應依照礦業專案生命週期循序鋪陳:
- 價值評估:從「地質與儲量」、「採礦工程與技術條件」、「環評與法規(以命題當年民國 107 年《礦業法》與環評規範為基準)」、「經濟財務分析」四大構面著手,展現工程評估的嚴謹性。
- 開採設備:依賦存環境(水上河道 vs. 陸地乾涸沖積平原)區分採掘機械配置,切忌混淆地下坑道開採設備。
- 選礦設備:砂金「已單體解離、無需細磨」為核心特性,流程必為「洗礦碎散 篩分分級 粗選富集 精選」。
- 冶煉設備:重選精礦產物如何由粗精礦轉化為合質金錠(Dore Bar),乃至高純度精煉金(電解精煉或化學提純)。
選項分析
本題為高考三級申論題,無選擇選項。考生作答時應以標題化、條列式呈現,切忌寫成無分段的長篇敘述。
解題技巧
- 破題關鍵(避免重大誤區):
- 砂金礦與脈金礦(岩金)本質不同。脈金需經過「爆破 粗細破碎 球磨機磨礦 浮選/全泥氰化」;砂金礦顆粒已呈解離狀態,絕不可寫碎礦與球磨設備,否則會被閱卷老師判定觀念不清。
- 砂金評估的「單位」慣例為 (每立方米克數),非一般固體金屬礦的 或 。
- 記憶口訣:
- 評估四要素:儲(儲量品位)、採(剝採條件)、水(水文環評)、錢(財務指標)。
- 採選冶流程:挖(挖掘機/採金船) 篩(滾筒篩) 重(溜槽/跳汰/搖床) 熔(感應爐)。
- 法規提示:涉及採礦許可與環評程序,以命題當年(民國 107 年)法規為準(現行《礦業法》已於民國 112 年大幅修正,原住民族諮商同意及環評補辦程序更趨嚴格,但解題核心仍以工程技術與通則為準)。
【答案】
一、砂金礦開採價值之評估方法
評估砂金礦床是否具備商業開採價值,須依序自地質探勘、工程技術條件、法規與環境、經濟效益四方面進行可行性研究(Feasibility Study):
- 地質儲量與金品位評估
- 取樣與鑽探:利用衝擊鑽探(Churm Drill)、探槽(Trenching)或探井進行網格化取樣,計算礦體賦存體積 ()。
- 品位與粒度分析:測定礦層平均品位 ()及金粒之粒度分佈(粗粒金易回收,微細粒微米金則回收率驟降)。
- 計算邊界品位(Cut-off Grade):依當時金價與預估總開採成本,推算能維持損益平衡之最低品位。
- 開採技術與水文工程條件
- 剝採比(Stripping Ratio):評估上覆無礦覆蓋層(Overburden)厚度與含金砂礫層厚度之比值,過高之剝採比將導致剝離成本過大。
- 基岩特徵:金粒比重大,易富集於基岩接觸面(Bedrock)裂隙、窪穴中。基岩軟硬度(軟質頁岩易於清理,硬質凹凸基岩清理困難)直接影響底板含金層的採收率。
- 泥質含量與礫石粒徑:巨礫(Boulder)過多會損壞挖採設備;含黏土泥質過高則會包裹金粒,大幅降低洗選效率。
- 水資源與供水條件:砂金開採與洗選需大量水體,鄰近必須具備穩定水源及足夠落差或抽水條件。
- 環境保護、法規與社會許可(以命題當年民國 107 年法規為準)
- 須取得主管機關之採礦權核准,並通過《環境影響評估法》審查。
第 二 題20 分
某礦場以露天階段方式開採大理石原料石,階段高度 10 公尺,日產約 5,000 公噸。假設礦石比重為 2.65,請規劃爆破所需藥石比,並繪圖說明爆破孔距、鑽孔深度、最小抵抗線及爆破孔的布設方式。
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核心觀念
本題為露天採礦工程中極具代表性的**露天階段爆破設計(Surface Bench Blasting Design)**綜合題,核心考核以下觀念與經驗公式:
- 岩石體積與質量關係: 其中 為礦石體積(), 為質量(), 為比重()。
- 藥石比(Powder Factor, 或 ): 指爆裂單位體積或單位質量岩石所需之炸藥重量,常用單位為 或 。其數值取決於岩石強度、節理發育程度、炸藥種類及目標破碎塊度(Fragmentation)。
- 階段爆破幾何要素(Bench Geometry):
- 階段高度(Bench Height, ):既定作業面高度(本題為 )。
- 鑽孔直徑(Hole Diameter, ):機具選用之孔徑,一般露天開採常用直徑為 。
- 最小抵抗線(Burden, ):孔心至臨空面(Free face)之垂直距離。依經驗公式:,或與階高連動 。
- 孔距(Spacing, ):同排相鄰爆破孔之中心距離。一般取 。
- 超鑽深度(Subdrilling, 或 ):鑽孔超過階段底盤底線之深度,目的為克服孔底強大之夾制力,避免產生殘根(Toe)。經驗值為 。
- 鑽孔深度(Hole Depth, ):垂直孔時 ;傾斜孔(傾角 )時 。
- 填塞長度(Stemming, ):防止爆轟氣體過早自孔口逸出(空氣衝擊波與飛石),經驗值為 。
- 裝藥長度(Charge Length, ):。
- 布孔方式(Drilling Pattern): 分為「方陣布設(Square/Rectangular pattern)」與「錯列布設(Staggered/梅花型 pattern)」。錯列布設能使爆破能量分布最均勻,減少大塊產生。
解題方法
步驟一:原料石性質定位與日開採體積計算
- 礦石用途:題目指明為大理石「原料石」(水泥、碎石骨材或石粉原料,非建築飾面板材),因此爆破首要目標為充分破碎並兼顧產能。大理石屬中硬岩至硬岩(單軸抗壓強度約 )。
- 日開採體積推算:
步驟二:規劃合理藥石比(Powder Factor)
- 露天階段開採中硬大理石原料石,工業上普遍採用硝油炸藥(ANFO,密度約 )配合乳膠炸藥起爆包。
- 針對該等級岩石破碎,適當之體積藥石比範圍為 。
- 基準規劃取 。
- 換算為質量藥石比:
步驟三:選定鑽孔直徑並計算各幾何參數
為配合 階高及日產 之規模,選定露天礦場最常見之中直徑潛孔鑽機(DTH),孔徑取 (約 ):
- 最小抵抗線(): 取 (符合 之比例)。
- 爆破孔距(): 採錯列梅花型布孔,取 。
- 超鑽深度(): 為避免留下底根,取 。
- 鑽孔深度(): 採垂直鑽孔設計,則:
- 填塞長度()與裝藥長度():
- 填塞長度取 (填塞碎石粒料)。
- 裝藥長度 。
步驟四:單孔裝藥量與產能檢核
- 單孔控制體積:
- 單孔炸藥裝填量(以 ANFO 散裝填入,密度 ):
- 單位孔長裝藥量(線裝藥密度):
- 單孔總裝藥量:
- 實際藥石比驗算: 折合質量藥石比 ,完全落在中硬岩原料石破碎之標準規劃區間(),設計合理。
- 日爆破孔數需求:
- 單孔產石質量:。
第 三 題20 分
露天礦場進行開採布設時,如何決定開採完成後單一階段的高度、殘壁傾角及開採完成後階段殘留平台的寬度?
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核心觀念
本題旨在考驗露天礦場(Open-pit Mine)開採終止時,最終邊坡(Final Pit Slope)幾何參數之工程設計原理、岩石力學分析及安全法規規範。露天礦場最終殘壁的幾何形狀主要由「單一階段高度(Bench Height, )」、「殘壁傾角(Bench Face Angle, )」及「殘留平台寬度(Catch Berm Width, )」三者構成,其相互幾何關係直接決定了露天礦的「整體邊坡角(Overall Slope Angle, )」:
設計時須兼顧開採安全性(邊坡穩定性、落石截留防護、機具作業安全)與經濟效益(減少剝覆比、降低廢土石開挖量)。 法規依據以命題當年(民國 107 年)法規為準,包含《礦場安全法》及其施行細則、《金屬及其他礦場安全規則》與《土石採取法》等相關勞工與環境安全規範。
解題方法
本題為典型工程規劃申論題,作答時須依「影響因素分析 理論計算與設計方法 法規與實務校核」三層架構,分別針對三個設計參數詳細論述其決定機制:
一、開採完成後單一階段高度(Final Bench Height, )之決定
開採完成後的殘壁高度通常為運作階段(Operating Bench)高度的整倍數。現代露天礦場常於最終境界採用複式階段(Double Benching 或 Triple Benching),即將 2 至 3 個運作階段合併為一個最終殘壁階段,以騰出更寬敞的殘留平台。其高度決定因素如下:
- 裝載與採掘機具規格(決定運作階段基礎高度):
- 階段高度基礎值主要受限於主採設備(如電力正鏟、液壓挖掘機、輪式裝載機)的最大挖掘高度(Maximum Digging Height)。
- 依安全規範,單一運作階段高度原則上不得超過挖掘設備最大挖掘高度的 倍,以避免工作面上方產生懸壁(Overhang)而造成坍方危險。
- 鑽孔與控制爆破能力:
- 受深孔鑽機(Drilling Rig)的鑽孔直徑、偏斜度容許值及爆破效能限制。階段過高容易造成鑽孔偏斜,使底部光面爆破或預裂爆破(Pre-split Blasting)無法精準成型,產生根底(Toe)或嚴重背衝破壞(Backbreak)。
- 岩體工程地質條件:
- 節理、斷層、層理等軟弱面的間距與走向。若岩體破碎、風化嚴重,階段高度應予以調降(如設為 );若為堅硬完整且自持力良好之岩體,可採合併階段提升高度至 。
- 礦床地質特徵與品位控制:
- 須考量礦體厚度、產狀、夾層厚度及分選開採(Selective Mining)精度,以控制貧化率(Dilution Rate)。
- 法規限制:
- 依命題當年(民國 107 年)法規標準,鬆散未固結土石之開採階高通常限制於 以內;固結良好之硬岩,運作階段高度一般設計在 ,合併後的最終階段高度多落於 。
二、開採完成後殘壁傾角(Final Bench Face Angle, )之決定
殘壁傾角係指最終階段壁面與水平面之夾角,直接影響階段岩壁本身的抗滑穩定性:
- 岩體構造與運動學分析(Kinematic Analysis):
- 利用地質羅盤量測之不連續面(節理、層理、剪裂帶)產狀,繪製赤平投影網(Stereonet),評估該傾角下是否會觸發平面滑動(Planar Failure)、楔形滑動(Wedge Failure)或傾倒破壞(Toppling Failure)。
- 殘壁傾角原則上應避開主要滑動弱面的傾角方向與臨界傾角。
- 岩體力學強度與數值/極限平衡分析:
- 藉由岩石單軸抗壓強度(UCS)、三軸試驗及岩體分類系統(RMR、GSI),求得岩體剪力強度參數(凝聚力 、內摩擦角 )。
- 透過極限平衡法(如 Bishop、Spencer、Janbu 法)或有限元素法數值模擬,要求單一殘壁的安全係數(Factor of Safety, )在靜態條件下應達到 。
- 開挖邊界控制爆破技術:
- 殘壁傾角的高低關鍵取決於爆破受損程度。採用預裂爆破(Pre-splitting)、平滑爆破(Smooth Blasting)或緩衝爆破(Cushion Blasting),能最大程度減少爆破震波向邊坡未開挖岩體的傳遞,以保留原生岩體強度,使堅硬岩盤的殘壁傾角可提高至 甚至近乎垂直。
- 地下水與水文地質條件:
- 孔隙水壓與滲流力會大幅折減岩壁穩定性,高地下水位區域若無水平排水孔洩壓,必須放緩傾角。
三、開採完成後階段殘留平台寬度(Catch Berm Width, )之決定
第 四 題20 分
露天礦場如何規劃排水系統?放流水如何處理才能符合放流水標準?請繪圖說明。
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核心觀念
本題考查露天礦場之「水文與排水工程規劃」及「礦場廢水物化處理技術」,並結合環保法規標準。
- 礦場排水規劃核心:
- 清污分流通則:區分「未受污染客水(逕流水)」與「坑內受污染濁水/湧水」,嚴禁混合以減輕處理負荷。
- 立體排水架構:坑外截流(截洪溝)、邊坡排洩(階段水溝與水平排水孔)、坑底蓄抽(集水坑與主排水泵站)。
- 水文設計公式:排水斷面與沉砂容積係依據合理化公式(Rational Formula)計算洪峰流量: 其中 為洪峰流量(), 為逕流係數, 為設計重現期降雨強度(), 為集水面積()。
- 放流水處理法規與水質標準:
- 法源依據:以命題當年(民國 107 年)之《水污染防治法》及其授權訂定之《放流水標準》(採礦業標準)為準(現行法規對特定重金屬及新興污染物監測標準已歷經微幅修正,但核心生化及理化指標維持一致)。
- 採礦業主要管制項目標準(民國 107 年):
- 酸鹼值():。
- 懸浮固體():(直接放流至水體之限值;若特定水源保護區標準更嚴)。
- 化學需氧量():。
- 溶解性鐵():、溶解性錳(): 及其他特定重金屬限值。
解題方法
本題為包含「實務規劃」與「繪圖說明」的綜合申論題。解題切入點應分為兩大主軸:
- 排水系統規劃架構:採階層化系統論述,依空間順序「坑外 邊坡 坑底 地下水控制」分述功能與水力設施,並繪製「露天礦場總體排水立體配置剖面圖」。
- 放流水處理達標程序:針對礦場兩大典型水質問題——「高懸浮固體(SS)」與「酸性礦山排水(AMD)/ 重金屬污染」,提出符合放流水標準的標準物化處理單元(調勻 中和 混凝 絮凝 沉澱澄清 砂濾放流),並繪製「廢水物化處理系統流程圖」。
選項分析(申論題配分架構剖析)
本題為申論問答題,國考閱卷時之評分關鍵指標如下:
- 露天礦場排水規劃完整性(佔約 40%):
- 僅回答坑底抽水為重大缺漏;必須明確包含「坑外截水溝(防客水入坑)」、「邊坡階段排水溝(防沖蝕滲透)」、「地下水洩壓(降水井/排水孔)」與「坑底集水井與強排系統」。
- 放流水處理工藝與法規對應(佔約 40%):
- 僅回答「沉砂池」無法拿滿分;採礦水質常伴隨酸鹼失衡與細顆粒膠體,必須寫出化學中和、混凝沉澱(加 PAC/PAM)與污泥脫水單元,並列出 pH 與 SS 之法規數值。
- 圖表繪製清晰度與標籤完整性(佔約 20%):
- 須提供結構清楚、標註完整的示意圖與流程圖,圖文必須能直接對應。
解題技巧
- 記憶口訣:
- 排水系統:「外截、坡導、底蓄、外抽、底降」(截水溝、階段溝、集水坑、抽水泵、水平排水孔)。
- 水處理程序:「篩、調、凝、絮、沉、濾」(格柵、pH 調節、混凝、絮凝、斜板沉澱、砂濾池)。
- 考場防錯陷阱:
- 陷阱一:忘記區分「清污分流」。將未進入開採區的乾淨山壁逕流水引入坑底處理,會造成沉砂池與水泵超載。
- 陷阱二:繪圖過於草率或缺少流向箭頭與設施名稱註記。應使用標準工程示意標示(如水泵、槽池、流向符號)。
【答案】
一、 露天礦場排水系統規劃
露天礦場開採範圍廣大且受地形切入影響,排水系統以**「清污分流、外截內排、重力自流優先、機械強排為輔」**為最高規劃原則,劃分為四層防線:
- 坑外截流系統(防止客水入坑)
- 周邊截洪溝(Interceptor Ditch):於最終開採境界線上方 處,沿等高線開挖截洪梯形明渠(RC 或砌石襯砌),將天然未受擾動地表逕流水直接導向礦區外天然水體,減輕坑內防洪負荷。
- 重現期距選定:截洪溝設計防洪頻率一般採 25 年至 50 年一遇暴雨強度計算斷面。
- 邊坡及階段排水系統(維護邊坡穩定)
- 階段安全平台排水溝(Bench Ditch):在每一開採階段(Bench)內側設置內傾坡度(約 )及縱向縱坡(約 )之明溝,收集坡面逕流水,導引至兩側山脊或邊坡跌水井(Chute)。
- 邊坡水平排水孔(Horizontal Drain Holes):於潛在滑動面或含水層處,以仰角 打設穿孔濾管,將邊坡內部地下水引出,降低孔隙水壓力,防止邊坡坍滑。
- 坑底集水與強排系統(排除作業區蓄水)
- 坑底中央集水坑(Sump):露天坑底最低處設置大型集水坑,具備臨時調節與初步粗沉砂功能,其容量依據規範應能容納 24 小時內之最大逕流量。
- 水泵站與高揚程排水管路(Pumping Station & Force Main):配置高揚程離心式深井泵或沉水泵(採 備援配置),以耐磨鋼管沿最終殘壁將積水揚升排至地表廢水處理廠。
- 地下水位控制(深井降水系統)
- 針對地下水位高於坑底之礦場,於坑外周邊預先打設深井降水抽水站(Deep Well Dewatering),主動抽降地下水面至坑底開挖面
第 五 題20 分
礦場採掘完成後,其階段殘留平台、殘壁,以及最終採掘平台如何進行植生復育?請繪圖說明。
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核心觀念
本題評量露天採礦完成後,礦場終局邊坡與開挖面之「水土保持」與「生態景觀復育工程」整合能力。依據命題當年(民國 107 年)之《水土保持技術規範》與《採礦場安全設施標準》(註:現行《礦業法》及相關法規已於民國 112 年大幅修正,本題解答以 107 年當時適用之工程規範為基準),採掘終了之幾何構造主要劃分為三大單元:
- 階段殘留平台(Safety/Catchment Bench):採掘階梯間留設之水平緩坡帶,主要承受上方殘壁落石、消減逕流沖蝕,並作為永久性植生基盤。
- 殘壁(Residual Slope / Highwall):採掘後留存之陡峭岩壁(通常坡度達 以上),缺乏土壤、保水性極差且易風化剝落。
- 最終採掘平台(Pit Floor / 採掘坑底盤):露天開採最底部之廣大平坦區域,為礦場逕流水最終匯集區,通常壓實度高、排水不良。
復育核心在於「以工程手段穩定基盤、以排水設施消減逕流、以客土植生創造演替環境」。
解題方法
解題策略應採「先繪製整體剖面配置圖,再依三大單元逐一說明工程整地、排水配置、植生工法及植物種選配」。
一、採掘階終局剖面與植生復育工程配置圖
【天然邊坡 / 採掘交界】
│ ┌─────── 頂部截水溝
▼ ▼
───────┐
│\ <-- 殘壁 (植生網 + 厚層客土噴植)
│ \
│ \
│ ┌── 阻石土堤 (外緣高 0.5~1.0 m)
│ │
階段殘留平台 │ │ ┌── 覆土植生 (複層灌木、喬木)
(寬3~5m, 內傾2~5%)│ │ │
┌─────────────────┴──────┴───┴┐
│ 內側排水溝 │
│ (引導逕流至直排槽) │
└──────────────────────────────┘
\ <-- 殘壁 (藤蔓垂覆 / 攀爬)
\
\
最終採掘平台 (採掘底盤) │
══════════════════════════════════════╪══════════════════════════
▲ ▲ ▲ │
│ │ │ └── 外緣沉砂截水溝
排水暗溝 客土造林 滯洪沉砂池
(打破底磐) (複層林相) (營造濕地生態)
二、各單元植生復育工法詳細規劃
1. 階段殘留平台之植生復育
- 地形整理與尺寸:平台寬度依規範維持在 以上,整地時做成向內側(靠殘壁側)微幅傾斜 之逆向坡,防止暴雨逕流越過平台外緣漫流沖刷下方殘壁。
- 安全土堤與排水溝配置:
- 外緣:就地利用廢石堆築高 之擋土土堤(或消能石墩),外緣夯實防止崩塌,並阻擋殘壁小規模落石。
- 內緣:開鑿縱向截排水溝(通常採梯形或矩形混凝土、砌石溝),並配合階梯跌水槽將逕流水安全導引至平台下方的沉砂池。
- 覆土與植生導入:
- 平台表面先行機械翻鬆(約 ),打破因重機械行駛造成之壓實層。
- 覆蓋 先前剝離暫存之表土(富含腐植質與天然種子庫)。
- 樹種配置:以「灌木與喬木混合」之複層植栽為主,搭配耐旱草本。先驅樹種選用相思樹、白千層、台灣赤楊、黃連木、草海桐等,穴植時加入有機質肥料及保水劑。
2. 殘壁(邊坡陡壁)之植生復育
殘壁坡度過陡且為裸露硬岩,無法直接覆土,須利用被動保護與特殊綠化工法:
- 基盤固定(掛網錨定):
- 清理坡面浮石,鋪設鍍鋅菱形鐵絲網或高強度抗聚合物植生網。
- 鑽孔打設岩栓(錨筋),以鋼承板與螺母將植生網緊密貼合於岩壁表面。
- 厚層客土噴植工法:
- 利用噴植機將「泥炭土、稻殼、長效有機肥、高分子黏著劑、保水劑」與「先驅植物種子」均勻混合,加壓噴附於掛網岩壁上,厚度約 。