110 高普考高考三級 採礦工程 採礦學 考古題詳解

核心觀念

本題考露天礦場階段開採的兩件事：一是依開採礦種選擇階段採掘面的規格；二是作業完成後，最終殘壁須符合的安全要求。

礦場安全法施行細則第 151、152 條規定，採掘場原則上應採階段法自上而下開採，不得採底部採掘法（下拔法）；並應依地形、地質設置適當高度及寬度的階段，維持安全的採掘面斜度與殘壁斜度。民國 89 年訂定、民國 103 年修正的《露天礦場採掘面及殘壁安全規範》，將露天礦場分為原料石類、土質類、石材類三類，規定各類階段高度、採掘面斜度及平台寬度。

以下法規數值以命題當年（民國 110 年）為準。

解題方法

先依礦種辨認三類，再逐類整理「階段高度、採掘面斜度、平台寬度」；最後把共通安全措施和最終殘壁規格補齊。須注意，採掘面規格與最終殘壁規格分別依《露天礦場採掘面及殘壁安全規範》及《水土保持技術規範》掌握，不能混為一組數值。

三類礦場階段採掘面布置

一、原料石類礦場

原料石類礦場以階段逐層開採。階段高度不得超過 15 公尺；使用鑽機時，鑽機向下鑽孔能力須超過階段高度。採掘面斜度不得超過 75 度。平台寬度依機具配置而定：

• 行駛車輛或鏟裝機：10 公尺以上。
• 僅使用推土機或挖土機：6 公尺以上。
• 不行駛車輛：5 公尺以上。

二、土質類礦場

階段高度依採掘設備區分：使用鑽機者不得超過 10 公尺，且鑽機向下鑽孔能力須超過階段高度；使用挖土機者不得超過 5 公尺。採掘面斜度不得超過 65 度。平台寬度如下：

• 行駛車輛或鏟裝機：10 公尺以上。
• 僅使用推土機或挖土機：6 公尺以上。

三、石材類礦場

使用金剛索鋸或鏈鋸開採者，階段高度不得超過 10 公尺，採掘面斜度不得超過 90 度；使用鑽機者，階段高度亦不得超過 10 公尺，鑽機向下鑽孔能力須超過階段高度，採掘面斜度不得超過 75 度。平台寬度一律 10 公尺以上。

若礦體破碎且夾有可切割的大塊副材，應先清除周圍破碎鬆石，確認無崩落之虞後才能切割。使用金剛索鋸、鏈鋸或起重設備時，作業流程、安全措施及人員應遵守事項，須納入礦場安全守則及自動檢查計畫，報請中央主管機關核備。

共通安全規定與最終殘壁

核心觀念

本題考查露天原料石礦的鏟裝—運輸系統如何配合固定日產量。評估時不能只看鏟裝機或卡車的名目產能，必須把岩石條件、設備循環時間、可用工時、設備利用率與車隊配置一併納入，並找出限制整體產量的瓶頸。

計算前須統一產量單位，例如以公噸／日或原地方（bank cubic metre, BCM）／日表示。鬆方體積與原地體積受岩石鬆脹影響，若以體積計算，應使用鬆脹係數換算；以公噸計算時，則須確認使用的密度與鏟斗、車斗容量相符。

解題方法

1. 先將日產量目標換算為每小時需求

設每日目標產量為 $Q_d$，每日實際排定生產時間為 $H_s$ 小時，則所需平均生產率為：

$$Q_h=\frac{Q_d}{H_s}$$

若 $Q_d$ 以公噸／日表示，$Q_h$ 即為公噸／小時。計算時應扣除或反映換班、休息、保養、爆破警戒等非生產時間；若以每日日曆工時直接計算，會高估設備產能。

2. 評估鏟裝機產能

液壓反鏟的單斗有效裝載量，可由鏟斗容量及充填率估算。若以體積表示：

$$V_b=V_{\text{bucket}}\times f_b$$

其中 $V_{\text{bucket}}$ 為鏟斗名目容量，$f_b$ 為鏟斗充填率。每斗質量則可估算為：

$$W_b=V_b\times \rho$$

其中 $\rho$ 須與所採用的體積基準一致；若使用鬆方容量，應搭配鬆方密度。

鏟裝機每小時產量可估算為：

$$P_s=\frac{60}{t_s}\times W_b\times E_s$$

其中 $t_s$ 為單斗循環時間（分鐘），$E_s$ 為有效作業率，須反映等待卡車、移位、清理、短暫停機及操作效率等因素。鏟斗循環時間通常包含挖掘、提升、迴轉卸料及返回挖掘位置。

評估鏟裝機時，主要考慮：

• 岩石與工作面條件：岩石硬度、節理與爆破破碎度、塊度、鬆散程度及工作面高度，均會影響挖掘阻力與鏟斗充填率。
• 作業幾何條件：反鏟站位、挖掘深度、迴轉角、卸料高度及工作面空間，會改變循環時間。
• 設備及操作因素：鏟斗容量與齒具、液壓狀況、操作員熟練度、維修保養及有效作業時間。
• 卡車交替與等待：卡車未及時到位會使鏟裝機待車；卡車交換位置或倒車不順，也會拉長單車裝載時間。

3. 評估礦山卡車產能

每車裝載量須同時受車輛有效載重與車斗容積限制。若鏟斗每斗裝載量為 $W_b$，每車所需鏟斗數為：

$$n_p=\left\lceil \frac{W_{\text{truck}}}{W_b}\right\rceil$$

其中 $W_{\text{truck}}$ 為卡車目標載重；實務上須避免超載，亦應確認車斗容積足以容納裝載物。單車裝載時間約為：

$$t_L=n_p t_s+t_{\text{spot}}$$

其中 $t_{\text{spot}}$ 為卡車進入鏟裝位置及對位所需時間。

卡車循環時間 $T_c$ 包括：

核心觀念

本題考查露天礦場的開採範圍與開採順序如何配合，讓礦場及早達到計畫產能並開始回收投資。設計不能只決定最終露天採場邊界，還須安排各階段的採礦位置、礦岩量與開採時程，使採礦、運搬、選礦及銷售能力彼此配合。

常用的經濟判斷指標包括剝採比與現金流：

$$剝採比=\frac{廢石量}{礦石量}$$

剝採比須與礦石價格、回收率、採礦與處理成本等因素一併評估。設計若只追求初期剝採比最低，卻忽略後續採場接續與長期經濟性，也可能導致後期無法穩定供礦。

解題方法

可從「範圍、順序、產能、現金流與限制條件」五方面作答：

1. 先決定合理開採範圍：依礦體形狀、品位分布、價格與成本、回收率、邊坡穩定及最終採場邊界，判定可經濟開採的礦量與廢石量。
2. 再安排分期開採順序：將最終採場分成初期採場與後續擴展區，檢視初期開採是否能快速取得可處理、可銷售的礦石，同時兼顧後續接續。
3. 核對生產系統能力：讓各期的採礦量、供礦量、運搬量與選礦處理量相配合，避免採場有礦而設備或處理廠無法接收。
4. 檢查前期投入與現金流：估算開拓、剝離、設備及設施等前期支出，安排投產時點與爬坡速度，使計畫產能及現金流目標可達成。
5. 納入工程與環境限制：確認運輸道路、排土場、排水、邊坡安全、土地使用及環境管理等條件，不會妨礙既定開採順序。

露天開採設計應考慮的因素

一、礦床與經濟條件

• 礦體的形狀、厚度、埋藏深度及延伸方向：決定採場的平面範圍、深度、台階配置，以及不同區域的開採先後。
• 品位、礦石性質及分布：辨別高低品位區、可直接供選礦的礦石與需分別堆置或處理的礦石，安排合理的供礦與配礦。
• 礦石價格、回收率及成本：估算不同區域的經濟價值，據以評估開採界限與各期開採效益。
• 剝採比與剝離時程：計算各期須先移除的廢石量，確認礦場能否負擔前期剝離，並控制後續剝採量不致超出設備或資金能力。
• 市場與產品規格：銷售量、品質要求及銷售時程會影響產量安排與礦石混配計畫。

二、開採範圍與分期順序

• 最終採場界限與分期採場：確定最終採場與各期採場的關係，讓初期採場能較早接觸礦石，並保留可供後續擴展的作業空間。
• 初期開拓與剝離：安排道路、開拓平台及必要的預剝作業，使投產前具備足夠的可採礦量。預剝不足會延遲出礦；預剝過多則會增加前期資金壓力。
• 採場接續性：規劃各採區間的銜接，避免只開採容易取得的區段，卻使後續採區遭遇通路中斷、作業面不足或剝採比急增。
• 採礦順序與礦石品質控制：依品位與礦石性質安排採掘，確保處理廠能取得符合要求且穩定的供料。

核心觀念

房柱法（room-and-pillar method）適用於礦體較平緩、厚度與品位大致穩定，且頂底盤及礦石具有足夠穩定性的礦床。其基本做法是在礦體內掘出相互連通的坑室，並保留規則排列的礦柱支撐頂板；坑室供採掘、運搬及通風使用，礦柱則維持採場穩定。

本題重點是把房柱法的四個部分連成一個完整採礦系統：採區如何劃分、坑室與礦柱如何安排、先採與後採的順序，以及新鮮風與污濁風如何分流。礦柱尺寸與間距須依礦體厚度、岩體強度、埋藏深度、地壓及開採規模設計，不能只憑固定比例決定。

解題方法

作答時先由大至小說明採區布置，再交代坑室與礦柱形成的網格，接著說明先行開拓與回採順序，最後沿圖中的巷道追蹤進風及回風路徑。採區設計須讓運搬、採掘與通風系統彼此銜接；保留礦柱則須兼顧地壓控制與回收率。

採區布置

1. 劃分採區與分區：依礦體範圍、地質構造、厚度變化及運搬距離，把礦床劃分為若干採區或採區分段，並留設必要的邊界礦柱、隔離礦柱或保護礦柱，以維持主要巷道及採區邊界穩定。
2. 開掘主要巷道：由豎井、斜坡道或平硐通達礦體，掘進主要運搬巷道，再由其開出採區聯絡巷道。主要巷道通常兼顧人員、材料、礦石運搬與通風，實際功能配置視礦場規模而定。
3. 建立巷道網格：在採區內開掘互相平行的主巷，再以橫巷連通，形成規則的巷道網格。各巷道寬高須符合設備通行、裝運與通風需求，配置方向則配合礦體走向及地形。

坑室與礦柱布置

• 坑室（room）：沿預定方向掘進的採掘空間，亦供採礦設備、裝運設備及風流通過。相鄰坑室以橫巷（crosscut）連通，方便轉運、通風及人員通行。
• 礦柱（pillar）：坑室掘進後留在坑室之間的未採礦體，平面上通常呈矩形或近似方形，按規則網格排列。礦柱的寬度、間距與形狀須配合頂底盤條件及地壓計算；主要巷道附近、採區邊界或重要設施周圍可留較大的保護礦柱。
• 配置原則：坑室與礦柱須均勻、連續配置，使頂板荷重能透過礦柱傳遞至底盤；同時須預留足夠的坑室斷面供採掘、運搬及通風。設計時以採場安全為前提，再求合理回收率。

開採順序

1. 開拓與準備：先完成通達礦體的主巷及採區巷道，再掘進採區主巷、平行坑室與橫巷，形成坑室—礦柱網格。
2. 第一階段回採（開發採掘）：依計畫逐段向前掘進坑室，採出坑室範圍的礦石，並保留礦柱承載頂板。採掘作業按分區或採面推進，避免無計畫地同時擴大相鄰採空區。

核心觀念

本題考查炸藥與爆破效果相關的基本性質。作答時要分清楚「爆震波前的傳播速度與壓力」、「爆炸產物對炮孔壁施加的壓力」、「炸藥可釋放的能量」，以及「起爆傳遞能力與爆後氣體毒性」等不同概念。這些性質會共同影響起爆可靠性、岩石破碎效果、炮孔壁受力及爆後通風安全。

解題方法

依題目七項性質逐項說明定義、主要影響因素與工程意義。涉及壓力時，應明確區分爆震壓與炮孔壓；涉及能量時，則須說明能量總量與能量釋放速率對爆破效果的影響。

（一）爆震波速（Velocity of detonation, VOD）

爆震波速是爆震反應前緣沿炸藥柱傳播的速度，通常以 $D$ 表示，單位常用 $\mathrm{m/s}$。它描述爆震在炸藥中的傳播快慢，是判斷炸藥爆震特性的重要指標。

爆震波速會受炸藥成分、裝藥密度、藥柱直徑、裝藥連續性、起爆條件及周圍約束影響。同一種炸藥在藥柱直徑不足、裝藥不連續或受到水分等因素干擾時，實際波速可能降低，甚至無法維持穩定爆震。

一般而言，較高的爆震波速代表爆震反應進行較快，常與較大的爆震壓及較強的瞬間破碎作用相關；但波速不能單獨代表炸藥的總能量或整體爆破效果，仍須配合能量釋放、岩石性質與裝藥條件判斷。

（二）爆震壓（Detonation pressure）

爆震壓是爆震波通過時，爆震反應區內形成的高壓，常用 $P_d$ 或 $P_{CJ}$ 表示。它反映爆震波對炸藥及鄰近介質的瞬間壓縮作用，與炸藥的爆震波速及密度密切相關。

工程上常用下式作為理想爆震壓的估算式：

$$P_d \approx \frac{1}{4}\rho D^2$$

其中 $\rho$ 為炸藥密度，$D$ 為爆震波速。此式是常用近似關係，實際值會隨炸藥性質、狀態及採用的爆震理論模型而異。

爆震壓較高時，通常表示瞬間衝擊作用較強，對近距離岩石的壓碎及裂隙形成較有利；但爆震壓不等同於炮孔壁承受的實際壓力。

（三）炮孔壓（Borehole pressure／explosion pressure）

炮孔壓是爆炸產物膨脹後，作用在炮孔壁上的壓力。它是炮孔壁與周圍岩體實際承受的載荷，受爆震壓、藥柱與炮孔的耦合程度、炮孔直徑、堵塞情況及爆炸產物膨脹過程影響。

在簡化的完全耦合圓柱藥柱模型中，常以炮孔壓約為爆震壓的一半作估算：

$$P_b \approx \frac{1}{2}P_d$$

其中 $P_b$ 為炮孔壓。若藥柱與炮孔間有空隙，或使用不耦合裝藥，爆炸產物膨脹後作用於孔壁的壓力通常會降低。實際炮孔壓並非固定等於爆震壓，計算時須交代採用的模型與裝藥條件。

炮孔壓主要影響炮孔周圍岩石的壓碎、裂隙形成及應力波傳遞。判讀時應把它視為孔壁受力的工程量，而非爆震反應前緣本身的壓力。

（四）密度（Density）

炸藥密度是單位體積內炸藥的質量，常用 $\rho$ 表示，常見單位為 $\mathrm{g/cm^3}$ 或 $\mathrm{kg/m^3}$。實務上應區分炸藥本身的密度與裝入炮孔後的裝藥密度；後者會受裝藥方式、藥柱空隙及炮孔條件影響。