108 高普考高考三級 採礦工程 採礦學 考古題詳解

核心觀念

本題考查礦山設計階段如何依礦床條件、採礦方法與生產需求，選擇適用且彼此配合的開採設備。設備選擇不是只比較單機價格或額定產能，而是要讓設備在礦場實際條件下，能安全、穩定地完成鑽孔、裝載、運搬、支撐等作業，並符合全礦山的產量與成本目標。

一般可把考量因素歸納為：礦床與岩石條件、採礦方法及礦山設計、生產規模與設備能力、作業環境與安全、經濟性、設備供應與維修、人力與能源，以及環境影響。

解題方法

申論時可依「礦床條件 → 作業系統 → 設備能力 → 成本與可用性 → 安全環境」的次序作答。先說明設備必須適應開採對象與採礦方法，再交代產能、配套、經濟與現場條件。如此能兼顧單機性能與整個礦山作業系統。

選擇開採設備應考慮的因素

一、礦床及礦石、圍岩條件

1. 礦體幾何形狀與產狀：包括礦體大小、厚度、傾角、延伸方向、埋藏深度及連續性。狹窄或形狀不規則的礦體，通常需要較具選擇性的設備；大規模、連續且規則的礦體，較適合高產能的機械化設備。
2. 礦石及圍岩的物理、力學性質：例如硬度、強度、韌性、節理裂隙、磨蝕性、塊度及鬆脹性。這些性質影響鑿岩、切割、爆破、裝載與運搬設備的型式、功率、耐磨需求及作業效率。
3. 礦石與圍岩的穩定性：影響採場跨度、支撐需求及設備可操作空間，也關係到設備作業時的落石、崩塌等風險。
4. 礦石品位與選擇性需求：若需嚴格控制貧化與損失，應考量設備是否能精確切割或選別礦石，避免過度採取圍岩。

二、採礦方法與礦山設計

1. 採礦方法與作業流程：露天或地下、房柱法、長壁式、分層崩落法等方法，對設備種類及尺寸的要求不同。設備必須能配合鑽孔、爆破、裝載、運搬、支撐等工序。
2. 巷道、採場與開採空間尺寸：巷道斷面、轉彎半徑、採場高度及作業面寬度，會限制設備的外形尺寸、迴轉能力與轉運方式。
3. 運搬路線與距離：應考量運搬距離、坡度、路面或底板條件、轉彎與會車空間，以及礦石、廢石和材料的運送目的地。設備能力需與路線條件相容。
4. 礦山服務年限及開採順序：設備需配合礦山各階段的產量與作業位置變化。也應考量設備能否在不同採區間移動、重複使用或調整配置。

三、生產規模、產能與設備配套

1. 目標產量與生產時程：設備的實際生產能力須符合礦山的年產量、班次安排及各作業面的供應需求。選用設備時應以現場可達的產能評估，不能只看型錄上的額定能力。
2. 設備間的能力配合：鑽岩、裝載、運搬、破碎及提升等設備須互相銜接。若其中一項能力不足，會形成瓶頸；若能力差距過大，則可能造成設備等待或閒置。

核心觀念

本題考查三種以「有計畫地使礦體或其上覆岩層崩落」為核心的地下採礦法，重點在說明各法的適用礦體、巷道布置、回採順序、礦石運搬方式，以及崩落發生的位置。

三者的主要差異可先掌握如下：

三種方法都須預先規劃崩落範圍及地表沉陷影響；但長壁法的回採主要沿工作面推進，次平巷陷落法靠次平巷內逐排爆破，塊狀陷落法則是從礦體底部誘導較大範圍的崩落。

解題方法

依題目要求，分別按「開採布置」與「作業方式」作答。每一法先交代巷道與工作面位置，再依序說明回採、支護或爆破、放礦、運搬及崩落情形，便能完整呈現採礦流程。

一、長壁法（Longwall Mining）

開採布置

沿煤層或水平層狀礦體劃分出長條形工作面，工作面兩端以巷道連通，通常設置進風巷、回風巷及運輸巷，形成長壁工作面與兩側巷道的配置。工作面長度大，通常以工作面沿煤層走向布置，並配合採區巷道服務。

長壁工作面可採後退式或前進式布置。後退式先掘進巷道並準備完整工作面，再由採區深部向回採巷道方向退採，是常見布置方式。

作業方式

1. 沿工作面以採煤機（或其他採掘設備）切割、破碎礦層。
2. 礦石或煤炭落至工作面刮板輸送機，再轉運至巷道輸送設備。
3. 工作面以液壓支架等支撐設備維持作業空間；設備隨工作面推進而向前移設。
4. 工作面後方採空區不再支撐，上覆頂板依計畫逐步崩落，稱為垮落或陷落。
5. 工作面持續向前推進，採空區隨之擴大，頂板崩落區亦向後發展。

長壁法的特點是沿長工作面連續回採、工作面後方頂板崩落。工作面支護是為維持人員及設備作業空間，並不表示永久支撐整個採空區。

二、次平巷陷落法（Sublevel Caving）

開採布置

在礦體範圍內沿垂直方向分成多個次水平（次中段），每一高度開掘一組平行的次平巷；平巷可依礦體形狀沿走向或橫向布置，並設聯絡巷道及裝運、運搬系統。主要運搬巷道通常設在較穩定的下盤側，以減少上盤崩落對巷道的影響。

各次平巷的鑿岩位置相互配合，使爆破後礦石能由平巷端部或放礦位置放出。回採通常由上部次平巷開始，逐層向下進行。

作業方式

核心觀念

本題考露天台階爆破的基本孔網設計。設計重點是讓各炮孔負擔的岩石量適當，使爆破能量有效破碎岩石，同時控制底盤殘留、飛石與爆破震動。

• 最小抵抗線 $B$：炮孔至自由面的最短距離；它決定炮孔前方岩體的厚度，也是孔網設計的基礎。
• 孔距 $S$：同一排相鄰炮孔的距離；排距 $W$：相鄰兩排炮孔的距離。方形孔網常令 $S\approx W$；梅花形孔網可令 $S$ 略大於 $W$。
• 填塞長度 $T$：孔口至裝藥頂端的未裝藥段，用來約束爆生氣體。
• 超鑽深度 $J$：炮孔超過台階底板的深度，用來減少底盤殘留。
• 炮孔深度：垂直孔可近似寫為 $L=H+J$，其中 $H$ 為台階高。

題目未提供岩石強度、節理狀況、自由面條件與爆破塊度要求，因此不能據此唯一決定孔網尺寸；以下採用中等可爆性岩石、一般露天台階爆破的經驗比例作初步設計。

解題方法

題目給定台階高 $H=10\ \text{m}$、炮孔直徑 $D=0.10\ \text{m}$，使用硝油爆劑。先由孔徑估算最小抵抗線，再以抵抗線推定孔距、填塞及超鑽。

1. 估算最小抵抗線

一般初步設計可取 $B\approx25D\sim30D$。代入炮孔直徑：

$B\approx25\sim30\times0.10=2.5\sim3.0\ \text{m}$

採用中間值 $B=2.8\ \text{m}$ 作為示範設計。實際抵抗線仍須依岩性、自由面及炮孔偏斜情形調整。

2. 配置孔距與排距

孔距可先取 $S\approx1.1B\sim1.3B$，排距取 $W\approx B$。以 $B=2.8\ \text{m}$ 計：

$S\approx3.1\sim3.6\ \text{m},\qquad W\approx2.8\ \text{m}$

可採梅花形布孔，示範值取 $S=3.4\ \text{m}$、$W=2.8\ \text{m}$。梅花形配置有助於使相鄰排炮孔的破碎範圍交錯；方形孔網則可採 $S\approx W$。

核心觀念

估算礦床的礦石蘊藏量，是先依地質資料界定礦體的形狀、範圍與品位，再估計礦石體積，並換算為重量。可採量則是在蘊藏量的基礎上，考量開採技術、採礦損失、貧化、選礦回收率與經濟條件後，估算實際可採出或可回收的數量。

本題未提供礦床資料，屬於估算方法的申論題；以下依一般礦量估算原理作答。題目未涉及特定法條。

解題方法

一、蒐集資料並界定礦體

先蒐集地質圖、地表露頭、探勘坑道、鑽孔、取樣與分析資料，判定礦體的邊界、延伸方向、厚度、傾角及品位分布。依礦體形態與資料密度，將礦體分成若干區塊或剖面，並確認各區塊的礦石界線與計算範圍。

取樣分析資料須能代表其所屬區段；品位計算應依各樣品代表的長度、厚度或體積加權，而非直接以樣品品位作簡單平均。

二、估算礦石體積

常見方法包括：

1. 幾何體積法 適用於形態規則、邊界清楚的礦體。將礦體簡化為長方體、柱體、楔體或其他幾何形體，依其長、寬、厚或底面積與高度計算體積。若礦體厚度及邊界變化大，應分段計算後加總。

2. 斷面法（剖面法） 適用於細長、層狀或脈狀礦體。沿礦體走向或延伸方向設置平行剖面，求出各剖面上的礦體面積，再計算相鄰剖面間的體積。剖面間距為 $L$、兩端面積為 $A_1$、$A_2$ 時，常用平均端面法：

$V=\frac{A_1+A_2}{2}L$

若兩端面積差異明顯，可用截頭體公式：

$V=\frac{L}{3}\left(A_1+A_2+\sqrt{A_1A_2}\right)$

全部剖面間的體積加總，即為估計礦體體積。

3. 多角形法與三角形法 將鑽孔或採樣點作為區塊中心或頂點，依相鄰資料點劃分多角形或三角形，估計各區塊代表的面積、厚度與品位。此法計算直觀，但估值受區塊劃分方式與資料間距影響。

4. 區塊模型法 將礦體劃分為三維小區塊，以鑽孔、坑道及取樣資料估計各區塊的礦石類別、品位與密度，再加總區塊礦量。資料足夠時，可使用地質統計方法估計區塊品位，並評估估值的連續性與不確定性。

三、由體積換算蘊藏量

將體積乘以礦石平均體積密度（或容積重量）：

$Q=V\rho$

其中，$Q$ 為礦石蘊藏量，$V$ 為礦體體積，$\rho$ 為礦石密度。若 $V$ 以立方公尺計、$\rho$ 以公噸／立方公尺計，則 $Q$ 為公噸。

核心觀念

本題考查露天原料石礦場自開發整地、建場、採掘、運搬，到停採後復育的作業順序與方式。作答時應依「先完成場地與安全設施，再由上而下分階段採掘，最後復原土地」的原則，交代各階段的工作及其銜接。

題目未指定礦場所在地、岩性、設備與採礦法規條文，以下依一般露天原料石礦場的典型作業流程說明；涉及法規時，以民國 108 年法規為準。

解題方法：依作業生命週期分段

依序說明：開發整地 → 建場與排水 → 剝除覆土及開拓 → 鑽孔、爆破與採裝運搬 → 分選加工及廢石處置 → 停採、復育與閉場。每階段都要指出作業目的與主要方式，並注意採掘通常採階段式、由上而下推進。

各作業階段與方式

一、開發準備與整地

1. 調查與規劃：確認礦體範圍、地形地質、覆土厚度、地表水與地下水情形，規劃開採境界、階段高度、運搬道路、排水設施、加工場與廢石堆置區。
2. 清除地表障礙物：依規劃清除植生、表土及妨礙施工的障礙物。可供後續復育使用的表土應分區保存，避免與廢石混堆。
3. 整地與場區配置：整平辦公、機具、維修、堆料及加工場地，設置必要的出入口、警示與安全設施。
4. 排水與防護：先設置截水溝、排水溝、沉砂或滯洪設施，將場外逕流導離作業面，降低沖蝕、積水與邊坡受水影響的風險。

二、建場與開拓

1. 開闢運搬道路：依採場與加工場位置修築主運搬道路及聯絡道，控制坡度、寬度、轉彎半徑與視距，使載重車輛能安全通行。
2. 建置作業設施：設置供電、供水、通訊、維修、燃料與加工設備，並配置必要的安全防護措施。
3. 形成開採工作面：依開採計畫開挖初始工作平台及出入通道，建立可供鑽機、挖掘機與運搬車輛作業的空間。

三、剝除覆土與開採面整理

剝除覆土、風化層及不適用材料，使礦體露出。覆土與廢石分別堆置，堆置位置應避開排水路線及不穩定坡面；保存的表土留供停採後覆土復育。剝採過程須維持適當坡面與平台，避免形成過陡、過高或無排水出口的邊坡。

四、階段式採掘

原料石採場通常採階段式露天開採，由上而下逐階推進，並維持各階段工作平台與安全邊坡。