112 高普考高考三級 採礦工程 採礦學 考古題詳解

核心觀念

本題考查爆破工程的四個基本名詞：炸藥相對於岩體自由面的幾何位置、岩體可供破碎移動的邊界、炸藥間的非預期起爆，以及炸藥用量與破碎岩石量的比值。作答時應先給出精確定義，再說明其工程意義或常用表示方式。

解題方法

依序從「鑽孔與自由面的距離」、「岩體的臨空邊界」、「炸藥間的起爆傳遞」及「炸藥消耗量與破碎量的關係」切入，可清楚區分四個名詞。

（一）最小抵抗線（Burden）

最小抵抗線是指裝藥中心（或藥包重心）至最近自由面的最短距離，常以 $B$ 表示。露天台階爆破中，通常指藥包至台階自由面的最短距離；地下爆破則依爆破面與孔位幾何關係，量測藥包至最近自由面的最短距離。

最小抵抗線決定岩體破碎、拋擲所需克服的主要岩體厚度。若抵抗線過大，炸藥能量不易使岩體充分破碎，容易造成大塊或根底；若過小，則可能產生過度拋擲、飛石、空氣衝擊波增大等問題。因此，最小抵抗線須配合岩性、孔徑、炸藥性能、孔距及起爆順序設計。

（二）自由面（Free face）

自由面是指岩體直接暴露於空氣或其他低阻抗介質、沒有岩體約束的表面，例如露天台階的坡面、地下巷道的掌子面，或先前爆破形成的臨空面。

爆破時，自由面提供岩體破碎與位移的空間。爆炸產生的高壓氣體及應力波作用於岩體，使其朝自由面方向破碎、膨脹或移動。自由面的數量、位置與方向會影響爆破效果；通常自由面條件愈有利，岩體愈容易破碎與移動。

（三）殉爆（Sympathetic detonation）

殉爆是指一個炸藥藥包起爆時，其爆轟作用透過衝擊波、爆轟波或其他傳能方式，使附近原本未起爆的藥包也發生爆轟。前者稱為主爆藥包，後者稱為殉爆藥包。

核心觀念

本題考查的是直井開挖（shaft sinking）方法的分類，以及依地質、水文、井筒用途與施工條件選擇工法。直井施工不是單純把井筒挖到設計深度，還須兼顧井壁穩定、湧水控制、通風、出渣、井筒襯砌，以及後續提升設備的安裝。

本題未提供地質、水文、井筒深度與直徑等資料，因此無法指定唯一工法；作答時應先列出適用方法，再說明各方法的適用條件與選擇因素。

解題方法

可先依施工原理分成三類：

1. 傳統鑽炸法：以鑽孔、裝藥爆破、出渣及支撐襯砌循環施工。
2. 機械掘進或鑽井法：以專用鑽掘設備自上而下或自下而上形成井筒。
3. 特殊地層處理法：針對鬆軟、含水或不穩定地層，先以止水、加固或沉箱等方式控制地層，再掘進。

工法選擇的核心，是讓施工方法符合地層條件，同時滿足運搬能力、施工安全、工期與成本要求。

可採用的直井施工方法

一、傳統鑽孔爆破法

自地表向下分段施工，每一循環通常包括鑽鑿炮孔、裝藥爆破、通風排煙、出渣，以及井壁支撐或襯砌。出渣可採抓斗、裝岩機或吊桶等設備；井壁則依岩體條件採用岩栓、噴凝土、鋼筋混凝土或其他襯砌。

此法適用範圍廣，設備與施工經驗較普遍，對不規則地層及變化較大的岩盤有調整彈性。缺點是作業循環多，爆破會造成振動與超挖，且井下作業人員需面對落石、爆破煙塵及出渣等風險。

二、全斷面機械掘進法

使用直井掘進機或專用全斷面鑽掘設備，自上而下機械切削、破碎並移除岩土。機械掘進可減少爆破作業，施工斷面較整齊，適合井徑、地質與施工條件可配合設備規格的工程。

其限制包括設備投資及安裝成本高、設備適應地質的能力有限，遇到岩性變化、破碎帶或大量湧水時，施工效率與設備運轉可能受影響。

三、盲井鑽掘法

使用專用鑽井或鑽掘設備，從地表向下形成直井，施工時須同步處理井壁穩定、出渣、地下水及井筒襯砌。此法適合設備能力與井筒尺寸、深度及地層條件相配合的工程；選用前須確認鑽掘設備、排渣方式及襯砌施工能否滿足設計要求。

四、反井鑽掘法（Raise boring）

先由下部巷道向上鑽設導孔至地表，再於下端安裝擴孔刀盤，將導孔由下向上擴大成井筒。此法通常需要下部已有可供設備進入與出渣的巷道或工作面。反井鑽掘可減少人員直接在井底爆破與出渣的作業，井壁品質通常較整齊；但井徑、岩體條件及設備能力會限制其適用性。

若最終井筒需供大量礦石提升，井徑超出反井鑽掘可直接完成的範圍，可先鑽導孔，再配合擴挖或其他方法完成設計斷面。

五、特殊地層施工法

遇到鬆軟、流砂、破碎或含水地層時，可先處理地層，再進行開挖：

核心觀念

本題考露天石材礦（dimension-stone quarry）的開拓順序與開採作業循環。石材礦的產品是可供加工利用的完整石塊，開採時須盡量保持石材完整、避免裂隙與破損，因此作業重點在於依岩體節理、層理與品質選定開採方向，再以切割、鑽孔或劈裂等方法分離石塊。

石材礦的開拓，是從清理礦區、設置必要設施，到開出第一個工作面並逐步建立工作水平；作業循環則包括剝除覆土，以及將石塊切離、分割、搬運和運出的單元作業。

解題方法

作答時分成「開拓順序」與「開採作業循環」兩部分。先交代為何石材礦需要依岩體構造與石材品質規劃工作面，再依施工先後列出開拓步驟；最後將剝採與石材開採各自的循環作業分開說明。

開拓順序（Sequence of development）

1. 調查礦床與選定開採方向 評估石材的顏色、外觀、均勻性、強度及缺陷情形，並調查節理、裂隙、層理等地質構造。開採方向須配合岩體構造，以提高完整石塊的回收率。

2. 清理場地並設置必要設施 清除礦區表面障礙，並在礦區附近規劃加工廠、動力與供水等支援設施，以及採石與加工所需的廢料堆置場。

3. 剝除覆土及風化岩層 移除覆土與品質不佳的風化岩，暴露可採石材岩體，作為後續開採工作面的基礎。

4. 開出第一工作面 在採場寬度方向選定位置，依層理、節理等條件切割或鑿出一塊「鍵塊」（key block），取出後形成鍵槽。鍵塊尺寸依岩體與設備條件規劃，重點在於建立可供後續切割作業利用的自由面。

5. 形成初始切槽並建立自由面 以鍵槽為起點，沿採場寬度方向延伸切槽，形成第一個開採切面。初始切面建立後，岩塊具有較多自由面，較容易依規劃尺寸分離與取出。

6. 推進工作水平並開設新水平 第一工作水平向前推進至適當程度後，再以移除新鍵塊、開設新鍵槽的方式建立下一工作水平，逐步延伸採場。

開採作業循環（Cycle of operations）

一、剝除覆土循環

覆土及風化層的剝除方式大致類似一般露天礦，依材料性質選用設備，循環包括：

核心觀念

本題比較地下開採中兩種不支撐採礦法。兩者都以開採後留下的礦體或圍岩形成礦柱，支承頂板與上覆岩層；差異主要在礦體的厚度與傾角、採場尺度、採掘方式及礦柱配置。

解題方法

依序比較礦床條件、採場形態、開採順序、礦柱功能與適用情況，即可掌握兩者差異。

比較項目	房柱法（Room and Pillar Mining）	坑室礦柱法（Stope and Pillar Mining）
基本概念	在礦體內開採出許多相連或相鄰的房間，並留下規則分布的礦柱支撐頂板。	將礦體分成較大的坑室（stope）與礦柱，開採坑室中的礦石，留下礦柱支撐頂板及圍岩。
適用礦床	典型適用於近水平或緩傾斜、厚度較均一、範圍廣且頂底板較穩定的層狀礦床，例如煤、鹽、石灰岩及部分金屬礦床。	較常用於較厚、傾斜或形狀不規則，且足以形成較大採場與礦柱的礦體；重點在坑室與礦柱配合穩定岩體條件配置。
採場形態	採掘巷道彼此連通，形成類似房間與柱列的平面網格；房間尺度較一致，礦柱多呈規則排列。	採場以較大的坑室為單元，坑室與礦柱的形狀、尺寸及間距依礦體形態與地壓條件設計，配置通常較具彈性。
採掘方式	通常由巷道向礦體內推進，依規劃採出房間、保留礦柱；可採單一階段，也可視安全與回收需求進行後續回採。	先規劃坑室及礦柱，再分區開採坑室中的礦石；

核心觀念

本題考查地下礦場如何將坑內湧水安全排出，以及如何降低突水、淹坑事故的發生機率與傷亡風險。作答可分成兩個層次：

1. 排水：先以水溝、集水坑收集坑內水，再利用重力或抽水設備排至地表。
2. 防災：調查水源與舊坑、超前探水、設置防水設施，並備妥抽水、警報、避難及救援措施。

法規方面，以命題當年（民國 112 年）法規為準，可援引《礦場安全法施行細則》關於鄰近舊坑留設防水礦壁、先進鑽孔探水，以及通過含水地帶前採取灌漿或其他防水措施等規定。相關法規後續曾有修正，解題仍依命題當年規定說明。

解題方法：地下礦場排水方法

一、重力排水

若礦場地形與開拓系統允許，可在坑道設置適當坡度，使水沿水溝自然流至平硐或低處排水出口，再排至地表。此法不依賴持續抽水動力，設備與營運成本較低。

設計時應維持水溝通暢，並設沉砂或清淤設施，避免礦泥、岩屑堵塞水路。排水出口也應妥善安排，避免排出的水回滲至坑內或影響周邊設施。

二、機械抽水

當坑道低於地表排水出口，或無法完全靠重力排水時，須使用水泵抽水。典型流程如下：

1. 水溝導流：各工作面及坑道的湧水經水溝導向集水坑。
2. 集水沉澱：設置集水坑或水倉，使泥砂沉降，減少抽水設備磨耗與管線堵塞。
3. 分級抽升：深部礦場可設多階段水倉與泵站，逐級將水抽送至較高水平，再排至地表。
4. 排水管輸送：以排水管將水送至地表排水設施，並定期檢查管線、閥件與接頭。

泵浦能力應依坑內湧水量及可能的最高水量配置，並備有備用泵浦、備用管路與可靠電源。抽水量不足時，水倉水位會持續升高，因此水倉容量、抽水能力與備援設備須整體規劃。

三、地表截排水與地下防滲配合

地下排水之外，也須在地表設截水溝、排洪溝或導流設施，降低雨水、河水及地表逕流滲入礦坑。對可能導水的裂隙、破碎帶或含水層，可採灌漿、封堵或其他防水工程，減少湧水量。

坑內水災預防措施