107 高普考高考三級 採礦工程 礦山評估與礦場設計 考古題詳解

核心觀念

本題旨在測驗露天採礦工程中「鏟裝與運輸系統（Load and Haul System）」之**卡車運輸週期時間（Truck Cycle Time, $T_c$）**之分析與計算架構。

1. 週期時間定義：卡車自裝載點開始排隊、就位、裝載，經重車行駛至卸料場，完成就位與傾卸後，空車折返原裝載點並準備接受下一次裝載之完整封閉迴路所需時間。
2. 時間結構分類：礦山工程實務上通常將總週期時間區分為兩大類：

• 固定時間（Fixed Time, $T_f$）：與行駛距離關聯較小之操作時間，包括調頭就位、裝載、卸料等。
• 可變時間（Variable Time, $T_v$）：直接隨運輸距離、道路坡度、路面狀況與車速增減之時間，包括重車行駛與空車返回。

3. 相關重要公式：

• 總週期時間： $T_c = T_f + T_v + T_w$ （式中 $T_w$ 為非計畫性或調度引起之等候時間）
• 裝載時間（以油壓鏟裝機作業為基準）： $t_l = n \times t_s$ 式中：$n$ 為裝滿卡車所需之挖斗次數（$n = \frac{\text{卡車額定載重或容量}}{\text{單斗有效載重或容量}}$），$t_s$ 為油壓反鏟（backhoe）之單斗循環時間（挖掘、迴轉、卸入車斗、迴轉復位）。

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解題方法

依據露天礦場卡車運行流程，自「裝載點」依時序推進至「卸料點」，再返回「裝載點」，可將一趟完整的總運輸週期時間（Cycle Time, $T_c$）細分為下列六項單一作業時間：

1. 裝載點調頭與就位時間（Spotting Time at Loading Point, $t_{s1}$）

• 作業內容：卡車抵達油壓鏟裝機旁時，配合挖掘面與鏟裝機作業範圍，進行轉向、倒車至最佳受料位置，並煞車定位等待裝料的時間。
• 單一作業時間特性：屬固定時間。視場地開闊度、地面平整度及駕駛技術而定，一般約為 $0.3 \sim 0.8$ 分鐘。油壓反鏟若採「雙側裝載（double spotting）」，可大幅縮減此項時間。

2. 裝載作業時間（Loading Time, $t_l$）

• 作業內容：油壓鏟裝機將大理石爆破塊料挖取並傾入卡車車斗，直至達到額定載量（噸位或容量）所需的時間。
• 單一作業時間特性：屬固定時間。決定於卡車車斗容量與反鏟挖斗容量之配比（斗數 $n$，通常設計為 $3 \sim 5$ 斗）及單斗挖掘週期時間。 $t_l = n \times t_{shovel}$ 大理石硬度較高、塊度較大時，挖掘與擺放需防衝擊，單斗週期多介於 $20 \sim 35$ 秒，總裝載時間多落於 $1.5 \sim 3.0$ 分鐘。

3. 重車行駛時間（Haul Time / Travel Loaded, $t_h$）

• 作業內容：卡車載滿大理石礦石後，自採掘面起步、加速，沿礦場道路經各分層階盤（benches）及聯外便道，爬坡運送至指定卸料點（如碎礦廠或儲礦堆場）的時間。
• 單一作業時間特性：屬可變時間。時間長短取決於運距 $D_h$、平均重車時速 $V_h$（受滿載車重、引擎驅動馬力、道路坡度阻力及滾動阻力影響）： $t_h = \frac{D_h}{V_h} + t_{\text{acc/dec}}$ （$t_{\text{acc/dec}}$ 為起步加減速損失時間）。

4. 卸料點調頭、就位與傾卸時間（Dumping and Spotting Time, $t_d$）

• 可再細分為兩項細部單一動作：
• 卸料調頭與就位時間（$t_{s2}$）：在碎礦機料斗口或排土場邊緣倒車定位的時間。

核心觀念

本題考查露天採礦工程中「階段爆破（Bench Blasting）設計」的系統性理論。露天礦場爆破設計的核心目標，是在特定的自然賦存條件下，透過人為工程參數的調整與最佳化，達成預期的岩石碎裂度、適宜的挖掘爆堆形態，並同時將爆破產生的震動、飛石、空氣超壓等危害控制在安全容許範圍內。

依據爆破工程學（如 Konya、Langefors & Kihlström 之爆破設計理論）與實務操作，相關參數依「工程人員是否具備主動調整控制權」劃分為：

1. 可控制參數（Controllable Parameters）：工程設計人員能藉由計算、規格選用或施工方法直接設定之變數（如孔網幾何尺寸、炸藥性質、裝藥結構、起爆微差時序等）。
2. 不可控制參數（Uncontrollable Parameters）：礦區天然賦存的地質、岩石力學、水文及氣象環境，屬客觀存在之約束邊界條件，工程人員無法變更，僅能被動調查並據以配合調整設計。
3. 爆破成果評估項目（Blast Performance Evaluation）：衡量爆破是否達到技術可行、經濟合理、安全合規之多元量化與質化指標。

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解題方法

本題為標準申論題，答題架構應秉持「邏輯分類、全盤涵蓋、層次分明」之原則：

1. 可控制參數：依照「幾何空間配置」、「炸藥與裝藥設計」、「起爆與時間控制」三大面向分類條列，展現紮實的工程設計思維。
2. 不可控制參數：依照「岩石材料力學」、「地質構造與弱面」、「水文環境」、「外部周邊條件」分類說明。
3. 爆破成果評估：區分為「生產技術指標」（破裂度、爆堆形態、工作面平整度）、「安全與環境效應指標」（震動、飛石、爆音）以及「經濟效益指標」，由內而外完整回答。

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解題技巧

1. 答題結構化（矩陣思維）：切忌雜亂無章地堆砌名詞。將參數分類為「幾何、能量、時序」與「地質、水文、構造」，閱卷委員能在短時間內對應評分標準給出高分。
2. 切合大理石礦場特性：大理石為沉積碳酸鹽岩經變質作用形成，通常具顯著的層理、解理或裂隙節理，且大理石多用於水泥原料或石材骨材。在答題中點出「地質不連續面」與「過粉碎／大塊控制」可凸顯專業背景。
3. 避免常見盲點：

• 容易遺漏「起爆延時（Delay timing）」與「裝藥結構（Decking）」等可控制參數。
• 評估成果時往往只寫「岩石碎得好不好」，忽略了殘壁穩定度（後衝破壞 Backbreak）、底盤平整度（根底 Toe）及環境振動危害（PPV）。

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【答案】

一、可控制的爆破參數（Controllable Blasting Parameters）

工程人員可藉由設計、計算及施工操作主動調整之參數，主要分為以下三類：

1. 幾何參數（Blast Geometry）：

• 階高（Bench Height, $H$）：階段垂直高度。
• 鑽孔直徑（Hole Diameter, $d$）：鑽頭規格大小。
• 最小抵抗線（Burden, $B$）：藥包至臨空面之最短垂直距離（包含第一排實際抵抗線與排間抵抗線）。
• 孔距（Spacing, $S$）：同排相鄰兩鑽孔間的距離。
• 鑽孔深度（Hole Depth, $L$）與傾角（Hole Inclination）：垂直孔或傾斜孔之長度與角度。
• 超鑽深度（Subdrilling, $J$）：為消除底盤根底而在設計階層底板以下額外鑽鑿之深度。
• 填塞長度（Stemming Length, $T$）及填塞材料：孔口未裝藥段之長度及回填粒料材質（如岩屑、碎石）。
• 孔網排佈型式：方格形（Square）、矩形（Rectangular）或交錯梅花形（Staggered）。

2. 炸藥與裝藥參數（Explosive and Loading Parameters）：

• 炸藥種類與特性：爆速（VOD）、密度、爆熱、抗水性（如 ANFO 粒狀炸藥、乳膠炸藥 Emulsion）。
• 裝藥結構（Charge Configuration）：連續裝藥、分段空氣間隔裝藥（Air-decking）或分層裝藥（Decking）。
• 偶合比（Decoupling Ratio）：藥卷直徑與鑽孔孔徑之比值（全偶合或解偶合）。
• 火藥係數／單位炸藥消耗量（Powder Factor, $q$）：每立方公尺或每公噸岩石所消耗之炸藥量（$\text{kg/m}^3$ 或 $\text{kg/t}$）。
• 起爆藥包（Primer/Booster）位置：孔底正向起爆、頂部逆向起爆或雙向起爆。

3. 起爆與時間參數（Initiation and Timing Parameters）：

• 起爆順序與開向：單排順序、V型起爆、梯型起爆等臨空面推展方向。

核心觀念

本題旨在測驗考生對於金屬與非金屬礦床探勘中「地球物理探勘（Geophysical Prospecting）」四大主流電法、重力法之核心學理與實務應用的掌握度。核心評分點在於：

1. 物性對比（Physical Property Contrast）：地體與圍岩之間必須存在明確的物性差異（電位差、極化率、密度對比、導電率/導磁率）。
2. 場源性質：區分被動源場（自然存在的天然場，如自然電位、重力）與主動源場（人工激發場，如誘導分極、電磁感應）。
3. 礦床賦存狀態與物探方法的適配性：精確指出該方法適合探勘何種結構產狀（如塊狀 vs. 浸染狀）及特定工業礦床成因類型。

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解題方法

本題為標準的申論型問答題，作答時切忌僅作空泛的名詞釋義。採高分答題架構應包含兩大部分：

1. 方法原理：簡述物理/電化學機制、場源類別、觀測參數與異常響應特徵（輔以關鍵物理公式說明）。
2. 適用礦床與實例：明確點出礦床產狀（塊狀/浸染狀）、代表性礦石類型（如黃鐵礦、黃銅礦、磁鐵礦等）及代表性礦床成因模式（如斑岩型、VMS型、層狀岩漿侵入型）。

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解題技巧

1. 「產狀與物性」精準配對記憶訣竅：

• 自然電位法（SP）：關鍵字為「天然電池、氧化還原、負異常」。專攻淺部埋藏且具水文地下水面貫穿的塊狀硫化物礦體。
• 誘導分極法（IP）：關鍵字為「過電壓、放電延遲、充放電效應」。是探勘**低品位浸染狀硫化物（特別是斑岩銅/鉬礦）**最具專一性的利器（電阻率法無效時，IP 是唯一首選）。
• 重力法（Gravitational）：關鍵字為「密度對比 $\Delta \rho$、布蓋異常」。專攻賦存於低密度圍岩中的高密度塊狀金屬礦體（如鐵、鉻、重晶石），或引發負異常的鹽丘（伴生鉀鹽、石油）。
• 電磁法（EM）：關鍵字為「法拉第電磁感應、渦電流、良導體」。空載與地面均適用，專攻導電連續性佳的塊狀硫化物（VMS、鎳銅礦）及石墨礦。

2. 常見陷阱與評分地雷：

• 切勿將「浸染狀礦床」寫入 SP 或常規 EM 的主要探勘目標。浸染狀礦粒彼此不導通，無法形成宏觀回路或強導電體，在此類礦床中 SP 與 EM 訊號極微弱，唯有 IP 才能誘發強烈界面極化。
• 重力法量測的是重力加速度異常（$\Delta g$，單位為 $\text{mGal}$），答題時應註明異常係來自於剩餘質量（$\Delta M = V \cdot \Delta \rho$），勿僅寫「測量地心引力」。

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【答案】

(一) 自然電位法（Self-potential method, SP）

1. 方法解釋：

• 原理機制：自然電位法屬於被動源電法。無需人工通電，利用地表設置的非極化電極（如硫酸銅陶罐電極 $\text{Cu/CuSO}_4$），量測地下因自然化學與物理作用產生的自發性天然直流電位差（單位為 $\text{mV}$）。
• 成因機制：主要電位來源包括：
• 動電位（Streaming potential）：地下水流經多孔隙介質時，因雙電層剪切產生的過濾電位。
• 擴散電位與接觸電位（Diffusion & Junction potential）：地層間孔隙水離子濃度不同所引發。
• 氧化還原電位（Mineralization potential）：電子導電性礦體貫穿地下水面（潛水面）時，水面以上為氧化環境、水面以下為還原環境，礦體本身充當自然「化學電池」傳輸電子，在礦體上方地表形成顯著的負自然電位異常（通常介於 $-100\,\text{mV}$ 至 $-800\,\text{mV}$）。

2. 適合探勘之礦床與實例：

• 塊狀硫化金屬礦床：特別是埋藏淺、連續性佳且切穿地下水位的熱液型或火山成因塊狀硫化物（VMS）礦床，如黃鐵礦（Pyrite）、黃銅礦（Chalcopyrite）、**磁黃鐵礦（Pyrrhotite）**礦床。
• 石墨礦床（Graphite deposits）：微晶或鱗片狀聚集且連續的石墨礦體具優良電子導電性，能產生強度極高的天然自發極化負異常。

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(二) 誘導分極法（Induced polarization method, IP）

1. 方法解釋：

• 原理機制：誘導分極法屬於主動源電法。在地表向地下通入人為電流，當供電切斷瞬間，地下介質與金屬礦粒周圍的電位並非瞬間降為零，而是呈現微弱且隨時間緩慢衰減的二次電位（放電現象）；或當以不同頻率交流電激發時，介質呈現視電阻率隨頻率變化的頻散現象。
• 極化機制：
• 電極極化（Electrode polarization / 過電壓效應）：當電子導體（金屬硫化物顆粒）與離子導體（岩石孔隙水）接觸時，外加電流中斷後於顆粒表面累積電荷所釋放的弛豫電位。

核心觀念

本題旨在評量考生在礦山評估與規劃初期，針對「非金屬礦床（Non-metallic Mineral Deposits）」之特性，進行**採礦方法選擇（Mining Method Selection）**之系統化綜合分析能力。

採礦方法主要劃分為**露天採礦（Surface Mining）與地下採礦（Underground Mining）**兩大類。選擇採礦方法並非單純考量開採成本，而是一項受地質幾何、岩體力學、產品規格、經濟運銷、安全水保與法規制約的多準則決策程序。

非金屬礦床（如大理石、石灰石、花崗岩、矽石、黏土、石膏、滑石等）與金屬礦床相比，具有以下核心本質差異：

1. 產品價值型態兩極化：

• 大宗散貨（Bulk Materials，如碎石、水泥用石灰石）：單位價值低、需求量極大、運輸成本敏感度極高，採礦極度依賴規模經濟與低成本之露天開採。
• 裝飾/建築石材（Dimension Stone，如大理石荒料、花崗岩板材）：注重塊度完整性與裝飾外觀，嚴格禁止爆破震裂，需採用鋸切或劈裂等保護性開採方法。

2. 選礦富集度限制：非金屬礦多數以原礦或經簡單破碎、分級後直接銷售，或作為化學原料，其原礦之物理完整度（荒料率）與化學成分均勻性（配礦能力）直接決定市場價值。

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解題方法

本題為典型的系統評估申論題，答題架構應由**「微觀地質條件」逐步推展至「宏觀經濟與法規環境」。為取得高分，不可僅條列泛泛的通用採礦因素，必須緊扣「非金屬礦」之專屬特性**（如荒料率、粉塵、覆土比、大宗運費、景觀維護），依序從以下六大面向切入展開：

1. 礦體賦存幾何特性（幾何條件）
2. 礦石與圍岩之岩體力學特性（力學條件）
3. 非金屬礦產之品質規格與加工需求（品質條件）
4. 經濟效益與市場運銷條件（經濟條件）
5. 水文地質與工程環境條件（環境條件）
6. 法規限制、安全規範與社會接受度（法制條件）

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選項分析

本題為申論問答題，無客觀選項。國考閱卷評分著重於分類邏輯的完整性、各因素之因果推導論述，以及是否能具體舉出非金屬礦（如石灰石、飾面石材）之實務案例。若僅泛論金屬礦模式而忽略非金屬礦的產品物理規格與運費特性，將無法獲得上位分數。

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解題技巧

1. 記憶口訣與構面架構： 解題時可記誦**「幾、力、質、經、環、法」**六字訣：

• 幾：幾何產狀（厚度、傾角、埋深、形狀）。
• 力：岩石力學（強度、節理、邊坡穩定、自立時間）。
• 質：品質與加工要求（荒料完整率、化學純度、粉碎度）。
• 經：經濟技術（產能、剝採比、單位價值、運費）。
• 環：水文與地表環境（地下水、地表景觀、水土保持）。
• 法：法規安全（礦業法、環評、安全距離、保安礦柱）。

2. 經濟分水嶺公式應用： 在討論露天與地下採礦之取捨時，適度引入**經濟平衡剝採比（Breakeven Stripping Ratio, $BESR$）**之觀念，展現定量評估之專業深度： $BESR = \frac{C_{ug} - C_{op}}{C_{st}}$ 其中：

• $C_{ug}$：地下採礦單位礦石之開採成本（元／噸）
• $C_{op}$：露天採礦單位礦石之開採成本（不含剝土）（元／噸）
• $C_{st}$：單位剝土量之剝除成本（元／立方公尺或元／噸） 當實質剝採比（Stripping Ratio, $SR$）小於 $BESR$ 時，優先選擇露天開採；反之則應評估地下開採或停止開採。

3. 法規基準提醒： 涉及我國法規引用，以命題當年（民國 107 年）之法規為準（如《礦業法》、《水土保持法》、《環境影響評估法》、《礦場安全法》）。（現行《礦業法》已於民國 112 年進行大幅修正，加嚴原住民族諮商同意及環評補辦程序，解題仍以客觀工程與命題核心學理為主）。

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【答案】

在評估非金屬礦床之開發並決定採礦方法（如山坡露天階梯式採礦、平地露天開採、地下房柱採礦法或充填採礦法）時，必須全面考量以下六大核心因素：