109 高普考高考三級 採礦工程 採礦學 考古題詳解

核心觀念

本題考硝油炸藥（AN/FO，硝酸銨／燃料油）的氧平衡，以及氧量不足或過量時對爆炸產物與爆破效果的影響。理想狀況是硝酸銨提供的氧，恰好足以使燃料油完全氧化，主要生成氮氣、二氧化碳和水。

以硝酸銨與近似成分為 $\mathrm{CH_2}$ 的燃料油表示，理想反應式為：

此反應的氧平衡為零。實際燃料油成分會因油品而異，但此式可用來說明 AN/FO 的理想化化學計量關係。

解題方法

以燃料油的完全燃燒反應為基準，判斷硝酸銨所提供的氧是否足夠：

• 氧量恰好：燃料油完全氧化，主要碳產物為 $\mathrm{CO_2}$。
• 氧量不足：燃料油不能完全氧化，碳產物以 $\mathrm{CO}$ 為代表，並可能有未反應燃料或煙炱。
• 氧量過多：燃料油完全氧化後仍有多餘氧，產物中會有過量氧，並可能使含氮產物出現較多氮氧化物。

三種氧平衡情形與影響

氧平衡（氧量恰好）

反應產物主要為：

• 氮氣 $\mathrm{N_2}$
• 二氧化碳 $\mathrm{CO_2}$
• 水蒸氣 $\mathrm{H_2O}$

燃料油可完全燃燒，化學能轉換較充分，爆炸氣體產物較理想；有毒氣體與煙塵較少，通常有利於爆破效率及作業安全。

氧不足（負氧平衡）

核心觀念

本題考露天開採的分類原則，以及各類方法所用的主要機械、作業方式與適合的礦床條件。露天開採係由地表移除覆土或廢石，再開採近地表礦床；選法主要看礦床形狀與產狀、覆土厚度、礦石與廢石硬度，以及是否有充足水源。

依開採方式與所用機械，常將露天開採分為機械式開採與水力式開採；前者主要靠挖掘、鑽爆與機械搬運，後者利用高壓水流沖採，或用挖泥設備在水下挖取。各教材分類名稱略有差異，答題時宜說明代表方法及適用礦床。

解題方法

先依開採設備與破碎、搬運方式分組，再逐一交代「作業特徵—適用礦床形態—代表礦種」。常見方法如下：

一、機械式開採

1. 露天採場法（Open-pit mining）

以階段式採場向下或向外擴大開採，常用鑽孔、爆破、電鏟或液壓挖土機破碎與挖裝，再以卡車、鐵路或輸送帶運出。適合埋藏較淺、厚度大、呈塊狀或浸染狀，且可建立合理採場邊坡的礦床。

常見礦種包括銅、鐵、金、鉬等金屬礦，以及部分磷礦與其他非金屬礦。

2. 露天剝採法（Strip mining）

先剝除礦層上方覆土或廢石，再依序採取近水平、層狀礦床；採完一條工作帶後，常將剝除物回填至前一採區，形成連續推進的工作面。適合覆土相對薄、礦層厚而連續、產狀平緩的層狀礦床。

代表礦種為煤；部分層狀磷礦、油頁岩及其他沉積層狀礦床亦可採用。

3. 採石場法（Quarrying）

以階段或工作面開採露頭或近地表的堅硬岩石，常用鑽孔爆破、切割、鋸切或劈裂等方式取料。若需保留完整塊材，會以切割、鑽楔等方式控制裂縫與尺寸；若作為碎石原料，則可採爆破後破碎。

適合石灰岩、花崗岩、大理岩、砂岩等建材與工業用石礦床。

核心觀念

本題考查礦量估算方法的演進，以及不同方法在幾何建模、品位估算、估算精度與實務應用上的差異。傳統方法主要依鑽孔或坑道資料，以幾何方式劃分礦體；現代方法則常以電腦建立三維地質模型或礦塊模型，並利用統計或地質統計方法估算各區塊的品位與礦量。

「礦量」通常以礦體體積乘以密度估算；金屬量可再乘以平均品位：

估算結果的可靠度取決於資料品質、鑽孔密度、礦體地質連續性、模型假設與所採用的估算方法。須注意，幾何或地質統計估算所得的地質礦量，不會單憑估算方法就自動成為可採儲量；可採性還須考量採礦、選礦、經濟及環境等條件。

解題方法

作答時先列出兩類方法的代表作法，再從共同的比較面向說明優缺點：

1. 傳統方法：多邊形法、三角形法、平行斷面法、等值線法等。
2. 現代方法：電腦化三維地質建模與礦塊模型，搭配反距離加權法（IDW）、克利金法（Kriging）等估算。
3. 比較面向：所需資料與成本、計算與修改便利性、空間變化的表現能力、誤差或不確定性的評估能力，以及對礦體形態的適用性。

傳統礦量評估方法

傳統方法以鑽孔、探槽、坑道或地質剖面資料為基礎，利用幾何圖形分區，計算各區塊的體積、平均厚度、密度與品位，再加總估算礦量。

• 多邊形法：以鑽孔為中心劃定其影響範圍，將該孔的厚度與品位代表該多邊形。
• 三角形法：連接相鄰鑽孔形成三角形，依頂點資料估計三角形區域的平均厚度與品位。
• 平行斷面法：在相鄰剖面上圈定礦體面積，以剖面間距估算礦體體積。
• 等值線法：依厚度或品位等值線劃分區域，再以分區面積與代表值估算體積或礦量。

優點

• 原理直接、容易理解：幾何分區與體積計算步驟明確，手算或繪圖即可完成。
• 資料需求相對較低：適合早期勘查或鑽孔資料尚有限的情況，可先形成初步估算。
• 便於人工檢核：估算區域與各剖面的依據清楚，容易追溯計算過程。
• 對形態規則的礦體具有實用性：例如層狀或透鏡狀礦體，且鑽孔配置規則、地質連續性明確時，斷面法等方法容易操作。

缺點

• 倚賴人工判讀與幾何假設：礦體邊界、剖面間的連接方式或影響範圍由估算者判斷，不同人員可能得到不同結果。
• 難以表現不規則的三維變化：當礦體形狀複雜、厚度或品位變化劇烈，簡化的幾何分區可能造成局部高估或低估。
• 代表性有限：多邊形法常以單一鑽孔代表整個影響區，未充分反映區內的品位變化；鑽孔間距不均時，代表範圍大小也可能不合理。
• 難以量化估算不確定性：傳統幾何計算通常直接給出單一結果，較不容易說明估算值的統計可靠度。
• 更新與延伸分析較不便：新增鑽孔或改變地質解釋時，常須重新繪圖、分區與計算；與三維採礦規劃的整合也較有限。

現代礦量評估方法

核心觀念

本題考查石油鑽井中**鑽井泥漿（drilling mud）**的基本組成，以及泥漿在循環時如何協助鑽進、控制井況與維持井壁穩定。泥漿並非只有黏土與水，而是依地層條件及鑽井目的，調配基液、固體材料與化學添加劑，使其具備所需的密度、黏度、濾失性與化學性質。

泥漿的主要組成

1. 基液：作為泥漿的連續相，常見為水，也可使用油或合成液。依基液可概分為水基泥漿、油基泥漿及合成基泥漿。
2. 黏土與增黏材料：例如膨潤土，用以增加黏度及攜帶岩屑的能力；部分黏土也能形成薄而緻密的泥餅。
3. 加重材料：例如重晶石，用以提高泥漿密度，增加井內液柱的靜水壓力，以平衡地層壓力。
4. 化學添加劑：依需求加入降濾失劑、分散劑、絮凝劑、頁岩抑制劑、潤滑劑、腐蝕抑制劑及堵漏材料等，用以調整流變性、濾失性、化學穩定性或潤滑性。
5. 鑽進產生的固體：循環泥漿會帶回岩屑及地層固體；這些固體須經泥漿處理設備分離，以維持泥漿性能。

泥漿循環的功用

泥漿由地面泥漿槽經泥漿泵送入鑽柱，向下流經鑽頭噴嘴，再沿鑽柱與井壁間的環狀空間上返至地面，經處理後重新循環。主要功用如下：

1. 攜帶並排除岩屑：將鑽頭破碎的岩屑由井底帶至地面，避免岩屑堆積、重複破碎或造成卡鑽。
2. 冷卻與潤滑鑽頭、鑽具：帶走鑽進產生的熱量，降低鑽頭及鑽柱與井壁間的摩擦和磨耗。
3. 平衡地層壓力、維持井控：泥漿液柱形成靜水壓力，適當的泥漿密度可抑制地層流體侵入井筒；壓力控制不當則可能導致井湧、井噴或漏失。

核心觀念

落磐是頂磐、坑壁或採掘面岩石因地質構造、開挖卸荷、爆破震動、地下水或支撐失效而鬆動、剝落或崩塌的災害。預防的核心，是先辨識不穩定岩體，再以合理開挖、清除浮石、支撐及持續檢查控制風險。

依《礦場安全法》第 10 條，礦業權者應採取防止岩磐、礦體或廢土石不安全崩塌的安全措施；同法第 14 條要求對作業人員實施安全訓練。依《礦場安全法施行細則》第 114 至 116 條，不安全崩塌之虞處應設支架並填緊襯木，安全管理人員須檢查支撐，作業人員則須時常檢查頂磐與坑壁，發現危險時擊落鬆石或採取適當措施。

以下法規依命題當年（民國 109 年）規定說明。

解題方法

本題為申論題，宜依「事前預防、施工控制、現場處置、管理保障」分層作答。這樣能同時涵蓋落磐的成因控制、支撐措施與人員安全管理，避免只列支架而遺漏檢查及施工程序。

預防落磐的方法

一、查明地質條件並合理規劃開採

1. 開採前調查岩性、節理、層理、斷層、破碎帶、岩盤強度及地下水情形，辨識易剝落或易崩塌區。
2. 依岩盤條件設計坑道斷面、採掘順序與開挖尺寸；破碎或軟弱地層應縮短無支撐暴露時間，避免過度開挖。
3. 採場及坑道配置須避免形成過大採空區；必要時保留礦柱，並按安全程序回採，降低應力集中及頂板失穩。

二、控制開挖與爆破作業

1. 控制炮孔位置、深度、裝藥量及起爆順序，減少過量爆破與周邊岩體震裂。
2. 每次爆破後先確認通風及作業環境安全，再檢查頂磐、坑壁與採掘面；確認無鬆動危石後才可進入作業。
3. 對爆破造成的裂隙、剝落及新生鬆石立即處理，不得在未確認安全的區域持續作業。

三、清除浮石並設置適當支撐