110 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

本題考查採礦方法、採礦機械、地下開採地表效應，以及岩體品質與礦床經濟評估等基本名詞。作答時應先給出定義，再補充主要特徵或用途，並指出容易混淆之處。

解題方法

(1) Longwall Mining（長壁式採礦）

長壁式採礦是一種適用於煤層等層狀、延伸範圍較大的礦床之地下採礦法。沿礦體布置長條形工作面，以採煤機或刨煤機連續開採，並以液壓支架等設備支撐工作面頂板；採空區則依計畫垮落或以其他方式處理。

其特徵是工作面較長、採掘作業集中，常可配合刮板輸送機連續運煤。作答時可抓住「長工作面、連續開採、採空區管理」三個要點。

(2) Continuous Miner（連續式採礦機）

連續式採礦機是一種以旋轉切削頭直接切割或破碎礦岩，並將碎礦收集、裝載至輸送設備的採掘機械。它可在巷道掘進或房柱式採礦等作業中使用，使切割、集礦與裝載能連續銜接。

其名稱中的「連續」指採掘與裝運作業可連續進行，不代表不需停機或不需其他支援設備。它與長壁式採礦機組的主要差異，在於連續式採礦機通常用於巷道或房柱式作業，並非專指長壁工作面上的採煤機。

(3) Subsidence（地表下陷／地層下沉）

地表下陷是地下採礦造成地下空間或支撐條件改變後，地表及其上覆岩層發生向下位移或沉陷的現象。地下採空、礦柱回收、頂板垮落或地下水狀態改變，都可能造成地表沉陷。

沉陷可能表現為大範圍、緩慢的地表下移，也可能形成較局部的塌陷；其影響包括地表建物、道路、水系及管線受損。評估時須考量開採深度、採空區範圍、岩層性質、地下水與採礦方法等因素。

(4) Rock Quality Designation（RQD，岩石品質指標）

RQD 是以岩心鑽探所得岩心，評估岩體裂隙與完整程度的指標。計算時，將同一鑽孔岩心箱中長度達 $10\text{ cm}$ 以上的完整岩心段長度加總，再除以該段鑽進長度，並以百分比表示：

核心觀念

本題分成兩部分：先查明水平煤層的埋藏深度、煤層厚度與分布連續性，再依覆土厚度及地質條件選擇露天或地下開採，並提出地下採煤的工安控制措施。

水平煤層的層面近於水平，因此垂直鑽孔穿過煤層時，鑽孔中煤層頂、底界面的垂直間距可視為煤層真厚度。煤層深度則須依鑽孔孔口高程與煤層頂界面高程換算；「覆土厚度」是地表至煤層頂界面的厚度，不等同於煤層厚度。

解題方法：煤層深度與厚度探勘

1. 地質資料蒐集與地表調查 蒐集地質圖、既有鑽孔與礦坑資料，調查煤層露頭、地層走向與傾向、斷層、褶皺及地表高程。煤層若有露頭，可測繪露頭位置與可見厚度，作為後續鑽探的參考。

2. 地球物理探勘初步圈定 依地質條件採用地震、電阻率或重力等方法，判釋可能的含煤地層、構造變化與覆土條件。地球物理探勘可協助決定鑽孔位置，但通常不能單獨取代鑽孔對煤層厚度與岩性資料的確認。

3. 布置探勘鑽孔 先以較疏的鑽孔網格了解煤層範圍與埋深，再於煤層變化區、構造複雜區及預定開採區加密鑽孔。鑽孔以垂直孔為主，並記錄孔口座標與高程、鑽孔深度及鑽進地層。

4. 取心、編錄與測井 鑽穿煤層時取得岩心，記錄煤層頂板、底板、煤層厚度、夾石、岩性與岩心採取率。鑽孔完成後施作適當的地球物理測井，例如自然伽馬、密度、電阻率或聲波測井，以判定煤層頂底界面，並補足岩心採取不完整造成的判讀缺口。

5. 深度與厚度換算 若孔口高程為 $Z_c$，煤層頂界面高程為 $Z_r$，煤層埋深可表示為： $D=Z_c-Z_r$ 若鑽孔垂直且煤層水平，煤層厚度為煤層底、頂界面的垂直深度差： $t=z_b-z_r$ 其中 $z_b$、$z_r$ 分別為煤層底界面與頂界面的鑽孔深度。若地層並非水平，鑽孔截得的厚度須依層面傾角校正，不能直接當作真厚度。

6. 繪製成果圖並評估 將各孔煤層頂、底界面高程、厚度及岩性資料比對，繪製煤層等深線圖、等厚線圖及地質剖面，判讀煤層連續性、斷層錯移與局部變薄或尖滅情形。據此估算資源量，並作為礦場開拓與開採設計的依據。

覆土過厚時的開採方法與作業特性

當覆土過厚，剝離覆土的工程量與成本相對於可採煤量不經濟，或露天開採會造成過大的地表擾動時，通常改採地下開採。水平煤層常見方法包括：

• 長壁式採煤法（longwall mining）：先掘進工作面進、回風巷，形成長壁工作面，再以採煤機、刮板輸送機及液壓支架連續採煤。工作面推進時，液壓支架支護頂板；工作面後方採空區則依設計垮落或處理。其產量及機械化程度高，適合煤層較連續、厚度與傾角較穩定的區段。

核心觀念

本題考查礦床從初步發現到正式生產期間，如何隨著資料增加，逐階段評估其地質可信度、可採性、經濟性與實際營運績效。四階段的評估不是一次完成，而是由初步篩選逐步深化；每一階段都要判斷是否值得投入下一階段的資金與工作。

「探礦」著重尋找可能的礦化區；「探勘」則進一步查明礦床的形態、規模、品位與連續性。通過探勘後，才進入礦場開拓與生產規劃；開採後仍須持續評估實際產量、成本及回收情形。

解題方法

依「找得到 → 查得清 → 建得成 → 採得好」排列四階段，並逐階段說明評估目的、主要工作、評估內容及決策結果。評估內容應涵蓋地質與資源、採礦與選礦技術、成本與收益，以及環境、安全和營運風險。

四階段之礦山評估步驟

一、探礦階段：初步判斷是否有值得追查的礦化目標

此階段資料有限，評估重點是以較低成本判斷區域內是否具有找礦潛力，並選定後續探勘目標。

1. 蒐集區域資料：整理地質圖、地形圖、既有鑽探或採礦紀錄，以及相關地球物理、地球化學資料。
2. 進行區域調查：透過地質踏勘、地質填圖、露頭觀察、岩石與土壤採樣，尋找礦化露頭、蝕變帶及其他找礦線索。
3. 圈定有利地區：綜合礦床成因、地層、構造、岩性及異常分布，選出具有進一步調查價值的目標區。
4. 初步評估投入效益：考量目標區的規模與可進入性、可能礦種及初步市場條件，決定是否投入較密集的探勘工作。

**階段成果與決策：**形成找礦目標及初步地質概念；若缺乏具體礦化證據，暫停或停止投入；若具潛力，進入探勘階段。

二、探勘階段：查明礦床並估算資源量、品位與經濟潛力

此階段的目標是建立足以支援礦床評估的資料，判斷礦床的規模與品質是否值得進一步設計開發。

1. 安排詳細調查與鑽探：依前階段圈定的目標，進行較精密的地質填圖、槽溝採樣、坑道或鑽孔調查，查明礦體的形狀、厚度、產狀、延伸方向及連續性。
2. 分析礦石與圍岩性質：取得樣品分析品位、礦物組成、密度及有害雜質等資料；並評估礦石與圍岩的地質及工程特性。
3. 估算礦床數量與品質：依鑽孔、採樣及地質模型，估算礦體的噸數、品位與空間分布，並說明資料密度及估算可信程度。
4. 進行初步技術與經濟評估：研究可能的採礦方法、選礦或處理方式、回收率、運輸與能源需求，以及初步資本支出和營運成本。
5. 比較市場與開發條件：評估產品規格、預期銷售條件、基礎設施、土地與水電取得情形，並初步辨識環境、安全及許可議題。

**階段成果與決策：**形成較可靠的資源估算及初步可行性判斷。若規模、品位或預期回收效果不足，停止或調整探勘；若具開發潛力，進入開拓與礦場設計。

三、開拓階段：驗證可行性並完成礦場設計與建設準備

此階段的核心是由「有礦」進一步確認「能否安全、合法且具經濟效益地開採」，並把可行方案落實為礦場計畫。

1. 補足設計所需資料：進行加密鑽探及必要的地質、岩石力學、水文地質和冶金試驗，以提高礦體模型及採礦、處理設計的可靠度。
2. 評估並選定採礦方案：依礦體深度、形狀、厚度、傾角、岩盤條件及地表限制，比較露天或地下採礦等方案，以及採礦方法、產能和開採順序。

核心觀念

本題考查露天礦場「開採境界」的決定原則：在礦床形狀、地質與地形條件，以及採礦、選礦和運輸能力的限制下，判斷露天開採延伸至何處仍具經濟效益。境界太淺會損失可採礦量；境界太深則可能因剝離廢石、運輸與作業成本增加而不經濟。

經濟判斷的核心，是比較境界擴大後新增的礦石收益與新增的剝採成本。若以每噸礦石可提供的淨貢獻為 $M$，每噸廢石的剝離成本為 $C_w$，則簡化的經濟剝採比為：

$$R_e=\frac{M}{C_w}$$

其中 $R_e$ 為經濟剝採比。若某一境界的剝採比低於或等於經濟剝採比，擴大境界在簡化條件下仍有經濟性；若超過，則新增剝採量的成本高於其可帶來的淨收益。

實際境界還須符合礦體賦存、邊坡穩定、設備作業、運輸系統、法規及環境限制，因此不能只靠單一剝採比決定。

解題方法

依題目要求，將影響因素分為自然因素、經濟因素、技術因素，並逐一說明它們如何改變境界的位置、形狀或可採範圍。作答時要把因素與結果連結起來，例如「礦體傾角較緩，需剝除較多上覆廢石，境界因而受限」，避免只列名詞。

一、自然因素

1. 礦床形狀、產狀與埋藏位置

礦體的厚度、延伸方向、傾角、埋藏深度及形狀，直接影響露天開採所需剝除的廢石量與可採礦量。

• 礦體埋藏較淺、厚度較大或接近地表時，通常較有利於露天開採，境界可涵蓋較大範圍。
• 礦體埋藏深、傾角較陡或形狀狹窄時，為取得深部礦石可能必須擴大坑口、加深露天坑，增加剝採量，境界較容易受到經濟性限制。
• 礦體若呈不規則分布，境界須配合礦體位置，避免將大量低品位或無礦地帶一併納入。

2. 品位分布與礦石連續性

礦石品位及其空間變化，決定各區塊的經濟價值。高品位且連續分布的礦體，通常能支持較大的剝採量；低品位、分散或不連續的礦體，則可能不足以抵銷取得它所需的剝離成本。若礦石與廢石界線不清，也會增加貧化與損失，降低實際可回收價值。

3. 地形與地表條件

地形會影響坑口位置、坑壁形狀、道路配置及排水方式。陡峻地形可能使部分區域便於開挖，也可能增加道路施工、邊坡處理及作業安全的困難。河川、湖泊、聚落或重要設施等地表條件，也可能限制境界延伸方向。

4. 岩體與邊坡地質條件

岩石強度、節理、裂隙、斷層及層理方向會影響最終邊坡角與邊坡穩定性。岩體條件較差時，須採較緩的邊坡角或增加支撐與監測措施。邊坡變緩會使坑口擴大、廢石剝離量增加，因而改變最終境界與經濟剝採比。

5. 地下水與氣候

地下水可能造成邊坡弱化、湧水及排水成本增加；降雨、風化、凍融等氣候作用也會影響邊坡穩定、道路通行與全年作業時間。這些條件不僅影響開採安全，也可能要求擴大排水設施或調整境界。

二、經濟因素

1. 礦產品價格與市場需求

礦產品價格上升時，每噸可採礦石的經濟價值提高，通常能支持較大的剝採量，境界有機會向深部或外側延伸；價格下降時，經濟剝採比降低，邊際礦石可能不再值得開採，境界因而縮小。市場需求也會影響可銷售產量與產品價格。

2. 採礦、選礦與運輸成本

採礦成本、選礦成本、運輸距離與運費，會影響礦石的淨貢獻。若運距增加、選礦流程複雜或處理成本上升，礦石可用來負擔剝離費用的餘額就會下降，露天境界較受限制。

核心觀念

本題要由爆破所需的總炸藥量，推算鑽孔數；再依單排鑽孔的配置，求相鄰鑽孔間距。

藥石比（Powder factor）定義為每噸破碎礦石所需的炸藥量，因此：

$$\text{總裝藥量}=\text{礦石總重}\times\text{藥石比}$$

每孔裝藥量則由每孔線裝藥密度乘以孔內裝藥高度計算：

$$\text{每孔裝藥量} =\text{線裝藥密度}\times\text{裝藥高度}$$

解題方法

先計算爆破所需的總裝藥量：

$$27{,}456\ \text{公噸}\times0.25\ \frac{\text{公斤}}{\text{公噸}} =6{,}864\ \text{公斤}$$

每孔裝藥量為：

$$104\ \frac{\text{公斤}}{\text{公尺}}\times11\ \text{公尺} =1{,}144\ \text{公斤／孔}$$

所需鑽孔數為總裝藥量除以每孔裝藥量：