111 高普考高考三級 採礦工程 採礦學 考古題詳解

核心觀念

本題考查採礦學中「露天採礦工程（Surface Mining / Quarrying）」之**職業災害（Mine Safety Disasters）與環境公害（Public Nuisance / Environmental Hazards）**之分類識別及對應工程防治措施。

依我國採礦法規體系（以命題當年民國 111 年法規為準，相關規範包含《礦場安全法》、《礦場安全法施行細則》、《露天礦場安全規則》及《水土保持技術規範》；現行《礦業法》雖於民國 112 年 5 月大幅修正強化環境保護與原住民權益，但礦場安全本質與災害防治之工程原則維持一致）：

1. 災害（Disasters）：指在礦區範圍內直接威脅作業人員生命、機具與開採工程安全之事故，主要受地質構造、岩石力學、爆破能量與重機械運作所引發。
2. 公害（Public Nuisance）：指採礦作業衍生的污染源逸散至礦區邊界外，侵害鄰近居民生活品質、公眾健康或生態環境之現象。

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解題方法

解答本題應採取「矩陣式分類法」，嚴格區分「內部安全災害」與「外部環境公害」兩大體系，並針對每項危害明確對應「工程技術」與「管理控制」層面的預防措施：

1. 災害面向：按作業工序與力學機制展開，涵蓋「邊坡坍塌與落石」、「爆破事故」、「搬運與重機械事故」及「湧水與排土場失穩」。
2. 公害面向：按環境物理與化學因子展開，涵蓋「空氣污染（粉塵）」、「噪音與震動」、「水質污染（含濁水與酸性排水）」及「水土流失與地貌破壞」。
3. 論述邏輯：採用「成因/危害機制 $\rightarrow$ 預防與工程對策」，展現專業技術深度（如引入力學參數、爆破公式與水土保持工法）。

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選項分析

本題為申論問答題，非選擇題。試卷作答時應將題目要求的「災害」與「公害」分為兩大主軸，逐項列出並嚴謹論述其成因與預防對策：

一、露天開採可能遭遇之「災害」及其預防措施

1. 邊坡坍塌與落石災害（Slope Failure & Rockfall）

• 成因：開採超挖、邊坡角設計過陡、岩層弱面（節理、層面、斷層）傾角與坡向不利、地下水孔隙水壓增高、風化軟化或爆破擾動，導致殘壁崩塌或滾石傷人毀機。
• 預防措施：
• 優化階梯幾何設計：嚴格依岩石力學分析（如 SMR 分級、極射赤平投影分析）設定台階高度（通常不超過裝載機挖掘高度）、階面寬度與終端休風角（Final Pit Slope Angle），維持安全係數 $FS \ge 1.3 \sim 1.5$。
• 地表與地下排水：在階頂開挖截水溝，坡面設置排水盲溝與仰斜排水孔，降低坡體內部之孔隙水壓。
• 清除浮石與被動防護：採掘後落實打梢（撬除浮石）作業；設置落石防護網、掛網噴凝土（Shotcrete）、岩栓（Rock Bolts）錨定，台階外緣保留足夠寬度之安全平臺與防護土堤。
• 邊坡監測預警：布設全測站地表面標、雷達邊坡監測儀（SSR）、收斂計與傾度管（Inclinometer），掌握微位移變形趨勢。

2. 爆破災害（Blasting Hazards）

• 成因：爆破參數設計不良（最小抵抗線過小、填塞長度不足）、未爆彈（拒爆）、起爆時序錯誤，引發飛石（Flyrock）、過度震動、衝擊波或有毒煙氣。
• 預防措施：
• 精密爆破參數設計：合理計算抵抗線（Burden, $B$）、孔距（Spacing, $S$）與填塞長度（Stemming Length, $T$），填塞長度一般取 $T \ge B$，選用適當粒徑之碎石確實填塞。
• 微差爆破技術：採用毫秒延時雷管（MS Delay Detonators）進行分段爆破，降低單段最大起爆藥量（Maximum Instantaneous Charge, $W$），抑制爆破震動與飛石。
• 爆破警戒與清點程序：嚴格畫定警戒半徑（通常 $\ge 300\text{ m}$）；爆破後徹底檢查殘砲，依規定以水沖除或在安全距離平行打孔重新引爆處理拒爆藥包。

3. 搬運與大型機具運轉災害（Haulage & Heavy Machinery Hazards）

• 成因：重型傾卸卡車（Haul Truck）、挖掘機與推土機體積龐大存在視線死角；道路縱坡過陡、路面泥濘濕滑、煞車失靈或邊界翻落。
• 預防措施：
• 運搬道路規格化：依規範設計道路寬度（單線車道寬度至少為卡車寬之 2 至 2.5 倍，雙線車道為 3 至 3.5 倍），道路縱坡控制在 $8\% \sim 10\%$ 以下，轉彎處設置適當超高。
• 構築安全防護擋牆（Safety Berms）：道路臨空側邊緣必須修築連續性安全護堤，護堤高度不得低於運搬車輛最大輪胎直徑之 $1/2$ 至 $2/3$。
• 機具防護與行車管理：安裝盲區影像輔助系統、超音波倒車警報器與行車記錄防疲勞裝置；落實車輛每日行車前點檢（煞車、轉向與液壓系統），採專用通訊頻道調度。

4. 排土場（捨石場）失穩與暴雨土石流災害（Waste Dump Instability & Debris Flow）

• 成因：廢土石堆疊過高且坡度過陡、基地軟弱未清底、未設排水分流設施，遇豪大雨引發滑動或轉化為土石流。
• 預防措施：
• 分層堆置與壓實：排土場採階梯式分層構築，控制單層堆高與休止角，基底須徹底清除腐植土並構築反濾排水盲溝。
• 構築擋土設施：在排土場下游腳部設置重力式或蛇籠擋土牆，阻擋坡腳剪動破壞。
• 排水分洪：周圍構築截水溝引排逕流，杜絕外水匯入排土堆體。

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二、露天開採可能遭遇之「公害」及其預防措施

1. 粉塵與空氣污染（Dust & Air Pollution）

• 成因：穿孔打眼、爆破、鏟裝、卡車於未鋪面道路高速行駛、粗碎加工及儲堆風蝕產生大量懸浮微粒（$\text{PM}_{10}, \text{PM}_{2.5}$）。
• 預防措施：
• 源頭抑制：鑽孔機全面配備濕式作業裝置（注入水霧）或配置高效旋風旋風分離器與袋濾式集塵器。
• 運輸抑制：運搬主幹線配備灑水車定時灑水，或噴灑化學抑塵劑（固化劑）；出礦卡車車斗覆蓋防塵帆布，並在出場前行經自動化洗車臺沖洗車輪與底盤。
• 破碎場密閉化：碎礦篩分系統實施密閉作業，裝設局部負壓抽氣系統與袋濾集塵設備。

2. 噪音與爆破震動公害（Noise & Blasting Ground Vibration）

核心觀念

本題測驗地下採礦工程作業體系中「主要生產循環作業（Cycle of Operations / Unit Operations）」與「附屬作業（Auxiliary Operations / Support Operations）」的劃分，並聚焦於**房柱採礦法（Room-and-Pillar Mining）**的特殊作業環境。

1. 作業分類定義：

• 主要開採作業（生產循環）：直接推動工作面進尺與產出礦石的工序，傳統上包含穿孔（Drilling）、爆破（Blasting）、裝載（Loading）與運搬（Hauling）。
• 附屬作業（支援作業）：不直接產出礦石，但為維持工作面安全、提供動力能源、保障人員與設備正常運轉所不可或缺的支援系統。

2. 房柱法之工程特性：

• 礦體多為水平或緩傾斜（$< 15^\circ$），開採面積廣、開挖巷道交錯成網狀、留設規則礦柱支撐覆岩。
• 高度依賴無軌柴油機動設備（如輪胎式鑿岩台車、LHD 裝運機、運礦卡車），故對通風排煙、底板維護、頂磐錨固的要求極高。

3. 安全法規背景：

• 依命題當年（民國 111 年）之《礦場安全法》及《地下礦場安全設施標準》，地下礦場必須設置完善之通風、排水、支護、通訊、防災與設備維護等支援系統。（註：現行《礦業法》於民國 112 年曾進行大幅修正，但地下採礦安全與工程學理架構不變，本題以命題當年之學理與法規為準）。

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解題方法

本題為標準的申論型題型，解題切入點應採「工程系統分類法」，從環境控制、地壓安全、動力供應、物流維護、測量監控等維度展開，避免雜亂無章的散列列舉。

解題鋪陳架構：

1. 先界定界線：簡述房柱法主要生產循環（穿孔、爆破、裝運），明確界定其餘維繫系統即為「附屬作業」。
2. 結構化分項詳述：將附屬作業歸納為 8 大核心系統，逐項說明作業內容、目的及其在房柱法中的特殊角色。
3. 總結功能：強調各附屬作業相互串聯，共同達成「安全生產」與「降低停機率（Downtime）」的目標。

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選項分析

本題為高普考申論題，無選擇題選項。

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解題技巧

1. 速記口訣：

• 記住「風、頂、水、電、運、修、測、安」八字訣，即可在考場上完整推導出所有附屬系統，杜絕缺漏：
• 風：通風與防塵
• 頂：頂磐檢試與錨桿支護
• 水：礦場排水
• 電：動力能源供應（水、電、風）
• 運：輔助運輸與資材補給
• 修：重機械地下維護
• 測：礦場測量與品位控制
• 安：監控通訊與災害防治

2. 切忌泛泛而談：

• 考生最常見的失分陷阱是僅寫「通風、排水、供電」等名詞，缺乏細節。必須寫出針對「房柱法」的具體工項（例如：房柱網狀通風所需的「風門與密閉牆」、房柱頂磐大跨度的「頂錨機 Roof Bolter 作業」、柴油設備所需的「地下保養硐室」）。

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【答案】

在房柱法（Room-and-Pillar Mining）地下礦場中，主要開採作業（穿孔、爆破、裝載、搬運）依賴一系列附屬作業（Auxiliary Operations）提供安全環境與物流動力。所需的附屬作業詳列如下：

一、 頂磐支護與地壓控制作業（Ground Control & Roof Support）

1. 浮石檢試與敲清（Scaling / Barring Down）：爆破排煙後，以人工撬棍或機械檢頂機清除開採面及頂磐、壁面鬆動之危石，防止落石傷人。
2. 錨桿支護作業（Roof Bolting & Cable Bolting）：房柱法頂磐跨度大，主要由專用頂錨機（Roof Bolter）施打膨脹型錨桿、樹脂全錨固錨桿或預力纜索錨桿；必要時鋪設金屬菱形網或噴凝土（Shotcreting），以強化頂磐岩體自我承載力。
3. 地壓觀測與收斂監測：定期量測礦柱受壓變形量、頂底板收斂（Convergence）及微震活動，評估礦柱穩定性。

核心觀念

本題旨在測驗採礦工程與岩石力學中應用最廣泛的經驗性岩體評估方法——RMR（Rock Mass Rating，岩體評分系統），又稱Bieniawski 岩體地工分類法（Geomechanics Classification）。

在礦場開採中，天然岩體受節理、斷層、風化及地下水等弱面影響，其力學行為迥異於室內試驗之完整新鮮岩心。RMR 系統透過六項關鍵參數進行量化評分，主要評估架構如下：

1. 基本岩體評分（$RMR_{\text{basic}}$）：綜合岩石本身強度與弱面幾何/力學特徵，滿分為 100 分： $RMR_{\text{basic}} = R_1 + R_2 + R_3 + R_4 + R_5$
2. 總岩體評分（$RMR$）：納入開挖工程與弱面方位之幾何相對關係進行扣分調整（$R_6 \le 0$）： $RMR = RMR_{\text{basic}} + R_6$
3. 工程應用：

• 地下採礦巷道：估算巷道未支撐自持時間（Stand-up time）與最大未支撐跨距（Span），並提供岩栓、噴凝土及鋼支架之經驗支撐設計標準。
• 露天採礦邊坡：作為評估邊坡破壞模式（平面、楔形或傾倒破壞）之基準，並可進一步推展為邊坡岩體評級（SMR, Slope Mass Rating）。

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解題方法

本題為申論題，作答切入點應採「定義 $\to$ 六大考慮因素（含評分權重與實務量測方式） $\to$ 岩體等級劃分與力學性質 $\to$ 採礦工程（露天與地下）實務應用」之完整結構作答，層次分明、數字精確：

1. 破題說明：簡述 Bieniawski（1973 年提出，1989 年修訂版最常採用）建立 RMR 系統之背景與目標。
2. 詳述六大考慮因素：逐項列出參數名稱、物理意義、評分範圍（權重）及量測指標。
3. 條列五大岩體等級：列出評分級距（I 級至 V 級）對應之岩體品質描述、凝聚力（$c$）與內摩擦角（$\phi$）。
4. 扣合題目之採礦實務應用：分別闡述地下巷道支撐穩定性與露天開採邊坡穩定評估。

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選項分析

本題為高考申論題（非選擇題），無選項分析。針對本題必須掌握之「六大評估參數權重」與「五大岩體等級」重點細項剖析如下：

1. RMR 六大考慮因素評分細項

• $R_1$：完整岩石強度（Strength of Intact Rock，0～15 分）： 以單軸抗壓強度（UCS, $\sigma_c$）或點荷重強度指數（$I_s(50)$）評估。強度大於 $250\text{ MPa}$ 評 15 分；小於 $1\text{ MPa}$ 評 0 分。
• $R_2$：岩石品質指標（Rock Quality Designation, RQD，3～20 分）： 由 Deere 提出，取鑽孔岩心中長度大於或等於 $10\text{ cm}$ 的健全岩心長度總和除以該回次鑽進總長之百分比。$\text{RQD} = 90\%\sim 100\%$ 評 20 分；$< 25\%$ 評 3 分。
• $R_3$：不連續面間距（Spacing of Discontinuities，5～20 分）： 相鄰弱面或節理間之垂直距離。間距 $> 2\text{ m}$ 評 20 分；$< 60\text{ mm}$ 評 5 分。
• $R_4$：不連續面狀況（Condition of Discontinuities，0～30 分）： 權重最高的單一項目，綜合五大子參數評定：

• 弱面延續長度（Persistence / Length）：$< 1\text{ m}$ 至 $> 20\text{ m}$（0～6 分）
• 開張度（Aperture / Separation）：緊密無隙至 $> 5\text{ mm}$（0～6 分）
• 粗糙度（Roughness）：極粗糙至平滑鏡面（0～6 分）
• 填充物（Infilling / Gouge）：無填充、硬質填充至厚層軟弱黏土（0～6 分）
• 風化程度（Weathering）：無風化至高度風化分解（0～6 分）

• $R_5$：地下水狀況（Groundwater Conditions，0～15 分）： 可依每 10 公尺開挖長度之湧水量、節理水壓與主應力比值（$r_u$）或宏觀潮濕程度（完全乾燥評 15 分、潮濕、滴水、流水噴注評 0 分）決定。
• $R_6$：不連續面方向之工程修正值（Adjustment for Discontinuity Orientation，0～-60 分）： 依節理走向與傾角相對於巷道掘進方向或邊坡開挖面的幾何關係（極有利、有利、普通、不利、極不利）給予負分修正：

• 隧道/地下巷道：修正值為 $0 \sim -12$ 分。
• 採礦邊坡：修正值為 $0 \sim -60$ 分（弱面走向與邊坡平行且朝坡外傾斜時最不利）。

2. 岩體等級分類標準（1989 版）

• 第 I 級（極佳岩體，Very Good Rock）：$RMR = 81\sim 100$，$c > 400\text{ kPa}$，$\phi > 45^\circ$
• 第 II 級（良好岩體，Good Rock）：$RMR = 61\sim 80$，$c = 300\sim 400\text{ kPa}$，$\phi = 35^\circ\sim 45^\circ$
• 第 III 級（中等岩體，Fair Rock）：$RMR = 41\sim 60$，$c = 200\sim 300\text{ kPa}$，$\phi = 25^\circ\sim 35^\circ$
• 第 IV 級（不良岩體，Poor Rock）：$RMR = 21\sim 40$，$c = 100\sim 200\text{ kPa}$，$\phi = 15^\circ\sim 25^\circ$
• 第 V 級（極不良岩體，Very Poor Rock）：$RMR < 21$，$c < 100\text{ kPa}$，$\phi < 15^\circ$

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解題技巧

1. 速記口訣： RMR 六大因子可依順序記為：「強、品、距、況、水、向」（強度、品質指標 RQD、間距、弱面狀況、地下水、方向修正）。
2. 分值速算法（滿分配比）： 前五項基本滿分合計恰為 $100$ 分：$15 + 20 + 20 + 30 + 15 = 100$。其中「不連續面狀況」權重最大（30 分），「不連續面方向」為「扣分項」（非加分項）。
3. 作答常見盲點：

• 容易遺漏第 6 項「不連續面方位調整值」，導致未完整說明地下工程與邊坡工程之區別。
• 忘記列出岩體五大等級（I～V 級）的分數區間（每 20 分一級，以 21、41、61、81 為分界）。
• 未扣合題目設定的「露天邊坡」與「地下巷道」應用，單純默背表格會被扣分。務必提及地下巷道的「支撐推薦／自持時間」與邊坡的「SMR 邊坡穩定修正」。

核心觀念

本題涵蓋採礦工程四大核心領域之基礎名詞定義、物理機制與實務工序：

1. 礦產探勘（Mineral Exploration）：重力探勘之物理原理（牛頓萬有引力定律）、地下岩體「密度對比（Density contrast）」與「重力異常（Gravity anomaly）」。
2. 炸藥與爆破工程（Drilling and Blasting）：爆轟物理學（Detonation physics）、查普曼-茹蓋面（Chapman-Jouguet plane, C-J 面）之動態衝擊波壓力特性，以及與爆速（$D$）、裝藥密度（$\rho_e$）之數學關聯。
3. 地表露天採礦（Surface Mining）：沖積礦床（Placer deposit）之水力崩落、泥漿輸送與重力選礦分選機制。
4. 地下採礦法（Underground Mining）：煤礦開採主力工法——長壁採煤法之工作面佈設、三大核心裝備配置（採煤機、刮板輸送機、液壓自移支架）及頂板崩落管理（Caving method）。

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解題方法

本題為標準的申論型名詞解釋題（每小題 5 分，共 20 分）。在國家考試評分標準中，單純給出「一句話白話解釋」僅能取得基本分（約 2～3 分）。欲獲取 5 分滿分，應採取「採礦專業四段結構法」作答：

1. 定義與基本原理：精確點出物理機制或工程定義。
2. 關鍵設備／公式／工序：寫出核心儀器、經驗計算公式或操作流程。
3. 實務應用與特點：列舉適用礦種、地質條件及優缺點評析。

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解題技巧

• (一) 重力法探勘：切勿只寫「測量重力」，必須寫出「密度對比（$\Delta \rho$）」與「重力異常（$\Delta g$）」，並補充主要修正步驟（如布蓋修正），展現物探專業。
• (二) 爆震壓：嚴禁與「爆發壓（Explosion pressure）」或「孔壁壓」混淆。爆震壓是爆轟波前緣通過瞬間的動態極限衝擊壓，時間極短（微秒級）；爆發壓則是膨脹氣體的準靜態壓力。寫出近似公式 $P_d \approx \frac{1}{4}\rho_e D^2$ 是得分亮點。
• (三) 水力開採法：扣緊「高壓水槍（Monitor/Giant）」崩落礦土、隨流輸送至「洗礦槽（Sluice box）」利用比重差重選。最後務必點出「環境衝擊與水土流失」的實務限制。
• (四) 長壁採煤法：務必點出「三機一架」之機械化配備，以及頂板之「垮落管理（Caving）」；並說明目前最常採用的「後退式（Retreating）」開採。

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【答案】

(一) 重力法探勘（Gravity prospecting）

1. 定義與原理： 重力法探勘係利用地下不同岩層、地質構造或礦體間的密度差異（Density contrast, $\Delta \rho$），導致地表局部重力加速度產生微小偏差，藉由測量此**重力異常（Gravity anomaly, $\Delta g$）**來推斷地下地質構造與礦產賦存狀態之地球物理探勘方法。
2. 量測與資料處理： 探勘使用高精度「重力儀（Gravimeter）」（如 LaCoste-Romberg 重力儀），量測單位通常為毫伽（$\text{mGal}$）或微伽（$\mu\text{Gal}$）。野外實測值須經過一系列標準修正，包括：儀器漂移修正、緯度修正、自由空氣修正（Free-air correction）、布蓋修正（Bouguer correction）及地形修正（Terrain correction），以求得布蓋重力異常值。
3. 礦業應用：

• 正異常（高密度）：探勘塊狀金屬硫化礦床、鉻鐵礦、磁鐵礦等高比重礦體。
• 負異常（低密度）：探勘鹽丘構造（常與石油、天然氣儲層伴生）、煤田邊界、喀斯特溶洞或採空區調查。

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(二) 爆震壓（Detonation pressure）

1. 定義與物理特徵： 爆震壓是指炸藥引爆後，**爆震波（Detonation wave）**在炸藥內部以超音速傳播時，位於反應帶前緣之查普曼-茹蓋面（Chapman-Jouguet plane, C-J 面）瞬間產生的極高動態衝擊波壓力。其作用時間極為短暫（數微秒至數十微秒），壓力值極大（通常達 $10 \sim 300\text{ kbar}$ 或 $1 \sim 30\text{ GPa}$）。
2. 理論計算公式：

核心觀念

本題屬於礦業經濟學（Mining Economics）與工程經濟之「礦場開發財務評估」範疇，核心在於正確計算損益表中各項要素及簡易投資報酬率（Simple Rate of Return / ROI）：

1. 固定資產直線攤還（折舊／攤提）： 固定資產依開採年限採直線法攤提，每年攤還額不涉及殘值時公式為： $\text{每年攤還費用} = \frac{\text{固定資產成本}}{\text{攤還年限}}$
2. 稅前淨利（Profit Before Tax, EBT）： $\text{稅前淨利} = \text{年營業額} - \text{年作業費用} - \text{年固定資產攤還費用}$
3. 稅後淨利（Net Profit After Tax, 每年淨利）： 依照所得稅率 $t$ 計算： $\text{每年淨利} = \text{稅前淨利} \times (1 - t)$
4. 簡易投資報酬率（Return on Investment, ROI）： 評估專案每年獲利對開發期投入資本的比率： $\text{投資報酬率} = \frac{\text{每年淨利}}{\text{開發投資總額}} \times 100\%$

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解題方法

本題依循財務會計之損益計算流程，分四步驟推導：

步驟一：計算每年固定資產攤還費用

固定資產成本為 $15,000,000$ 元，分 $5$ 年平均攤還： $\text{每年攤還費用} = \frac{15,000,000}{5} = 3,000,000 \text{ 元／年}$

步驟二：計算每年營業毛利與稅前淨利

每年營業額為 $30,000,000$ 元，年作業費用為 $8,000,000$ 元： $\text{營業利益（未扣除攤還）} = 30,000,000 - 8,000,000 = 22,000,000 \text{ 元／年}$ 扣除固定資產攤還費用後，得每年稅前淨利： $\text{稅前淨利} = 22,000,000 - 3,000,000 = 19,000,000 \text{ 元／年}$

步驟三：計算應納稅額及每年淨利（稅後淨利）

適用所得稅率 $20\%$： $\text{每年所得稅額} = 19,000,000 \times 20\% = 3,800,000 \text{ 元／年}$ $\text{每年淨利} = 19,000,000 - 3,800,000 = 15,200,000 \text{ 元／年}$