109 專技高考高等考試 採礦工程技師 包括礦場安全 考古題詳解

核心觀念

臺灣東部大型大理石礦山，尤其供水泥及工業原料使用者，典型作法是山頂平台式階段露天開採，搭配直井（豎井）重力運輸系統，也稱直井式階段採掘法（Shaft-Bench Cut）。

這套方法將採掘面設在山頂及山腰的階段平台，採掘方向由上而下；礦石先由礦車短程運至直井口，初碎後投入直井，再靠重力下降至井底，經地下帶式輸送機送往下游。它適合臺灣東部山勢陡峻、礦體規模大且運輸道路不易開闢的環境。

本題不是詢問保留完整石材荒料的石材採取法。供水泥原料的大理石重視大量採出及穩定輸送，採掘後會經爆破及機械破碎。

解題方法：依採、運、碎說明流程

作答時先點出「階段式露天開採＋直井重力運輸」的組合，再依序說明鑽孔爆破、鏟裝短程運輸、井口初碎、直井下放、井底集料及後續輸送碎礦。

一、開採：由上往下分階段露天採掘

1. 整地與平台開發：在山頂規劃採掘平台及階段邊坡，依地形、岩層與安全要求，逐階向下推進。
2. 鑽孔與爆破：以鑽孔機在岩體鑽設炮孔，按爆破設計裝填炸藥及起爆器材，將礦石鬆裂並與母岩分離。遇岩層較軟或適合機械開挖處，可由挖掘機直接挖掘。
3. 鏟裝：以挖掘機或輪式裝載機將爆破後的礦石鏟入大型礦用自卸卡車。

主要設備包括鑽孔機、挖掘機、輪式裝載機、礦用自卸卡車，以及爆破所需的裝藥與起爆設備。

二、運輸：卡車短程運至井口，礦石靠重力下行

大型礦山設置直井作為主要垂直運輸通道。卡車只需沿採掘平台道路將礦石運至井口，不必沿山坡長距離行駛至山下。

礦石經井口的初碎設備處理後，投入直井或井口受料系統，利用重力下落至井底。井底設有集料及給料設備，再以帶式輸送機沿地下巷道運出。依礦場配置，後段可接密閉式輸送帶、地面輸送設備或索道，送往石灰石庫、水泥廠或其他處理設施。

三、碎礦：井口初碎，井底或下游再碎

核心觀念

煤礦自然發火，是煤在沒有外來火源下，因低溫氧化持續放熱，熱量累積使煤體升溫，最後發生陰燃或燃燒的現象。自然發火的關鍵不只是煤與氧氣接觸，而是氧化產熱大於散熱，使煤體熱量逐步累積。

可用下式表示其判斷概念：

當氧化產熱持續大於散熱，煤溫便逐步升高；溫度升高又會加快氧化反應，形成正回饋，最終導致自然發火。

以命題當年（民國 109 年）法規為準，《礦場安全法》將礦床自然發火及坑內火災之防止列為礦場安全措施；《礦場安全法施行細則》並規範有自然發火或其虞場所的監測、緊急處置及廢棄坑道封閉等事項。《煤礦自然發火防範措施要點》則涵蓋通風、採掘、採掘跡管理與巡查。以下依其安全管理原則說明。

自然發火的原因

一、煤本身具有氧化發熱性

煤與空氣中的氧接觸後會發生低溫氧化反應並放熱。煤的煤化程度、成分、孔隙與破碎程度等，會影響其氧化活性；細碎煤屑與新鮮煤面因接觸空氣的表面積較大，較容易氧化。

二、通風漏風持續供氧

採掘跡、采空區、廢棄坑道、裂隙或巷道密閉不良時，空氣會滲入並供應氧氣。若漏風量足以供氧，卻又不足以帶走氧化產生的熱量，便容易促成熱量累積。

三、散熱條件不佳

煤堆、殘煤或采空區中的煤體若堆積厚實、通風不良，或被周圍岩層包圍，反應熱不易散出。此時即使氧化速度不高，長時間累積仍可能升溫發火。

四、採掘與管理造成易發火條件

厚煤層未採淨、煤層膨大或地質變化區留下殘煤、採掘跡清理不完全、採掘跡充填或封閉不密實，以及回風流經廢棄區等情形，都會增加殘煤接觸氧氣、持續蓄熱的機會。

解題方法與預防措施

作答可由「自然發火的形成條件」切入，再逐一對應預防方法：減少可氧化煤體、控制氧氣供應、避免熱量累積、加強監測與處置。

一、採掘管理：減少殘煤與易發火區

1. 採煤面應儘量將煤層採淨；因地質或作業限制無法採淨時，應妥善處理殘煤，避免使殘煤長期暴露。
2. 採掘跡應清除煤炭、煤質頁岩、煤質黏土及其他易燃物；未採薄煤層周圍應以不燃性材料充填。

核心觀念

本題考露天石材礦場以機械方式分離岩體的兩種方法：傳統的鑽孔劈楔法，以及現代的金剛索鋸法。作答重點是依序說明作業流程，並指出兩者如何利用鑽孔與機械力，使石材沿預定切面分離。

解題方法

按「選定切面與劃線 → 鑽孔 → 施力分離 → 整修與搬運」整理程序；金剛索鋸則另須交代穿索孔、穿索、索鋸運轉與冷卻。

一、傳統鑽孔劈楔法

1. 選定開採面並規劃切割線：依石材節理、裂隙、礦體形狀及預定石塊尺寸，選定劈裂方向與切面，在岩面標出切割線。
2. 沿切割線鑽孔：以鑿岩機沿線鑽一列間距適當的孔，孔深須足以控制預定劈裂面；孔徑需配合楔具。
3. 裝入劈楔：在各孔內放置楔片及配套墊片，並使其受力方向一致。常見楔具包括「楔片與墊片」組合，亦稱羽毛楔。
4. 逐孔施加劈裂力：依序、均勻敲擊或操作楔具，使各孔中的楔片逐漸張開，將集中在孔內的力傳至岩體。當孔列連成的裂縫沿預定切面延伸，岩塊即與母岩分離。
5. 分離、整修與搬運：以撬具或吊裝設備移開石塊，清除鬆動碎石，視需要修整切面，再依作業安排吊運或搬運。

此法的關鍵是以一列鑽孔形成預定裂縫的起始位置，再靠楔具的張力使岩體沿孔列劈開。孔距、孔深與劈裂方向須配合石材性質及節理，避免裂縫偏離而造成石材破損。

二、現代金剛索鋸法

核心觀念

本題比較露天開採與地下開採的作業特性，重點在於從安全、成本、生產規模、回收率、作業條件及環境影響等面向，說明露天開採的優點與限制。露天開採直接移除覆蓋層與礦體上方岩土，再自地表向下採掘；地下開採則須開掘井巷或巷道進入地下礦體。

是否採露天開採，除礦體埋藏深度、厚度與地形外，亦須考量剝採比。若剝除覆岩與採出礦石的比例過高，露天開採的經濟性便會下降。

解題方法

作答時以「露天開採相對地下開採的差異」分組比較，並說明優點來自哪些作業條件，缺點則著重露天工程必須處理的剝離、邊坡與環境問題。

優點

1. 安全性較高：作業空間開放，通風、照明及人員疏散較容易；相較地下礦場，較少受到瓦斯、缺氧、地下水、頂板坍落及井下火災等風險影響。
2. 單位成本較低、生產能力較大：大型挖掘機、裝載機與運搬車輛易於運用，機械化程度高，適合大規模、連續生產；井巷開拓與支撐等成本通常也較少。
3. 礦石回收率較高：不必為維持地下採場與巷道穩定而留下大量礦柱，較能完整採取礦體。
4. 作業與管理較直接：地表作業便於運輸、設備維護、通風照明及人員管理；地質狀況也較容易直接觀察，採礦計畫調整較方便。
5. 適用於淺部、厚大或延伸範圍廣的礦體：在覆岩較薄、剝採比合理時，露天方式較能發揮產能與成本優勢。

缺點

核心觀念

陷落法（caving methods）是有計畫地採出礦體，並利用礦體或上盤圍岩隨採空區形成而崩落，讓崩落岩石充填空間的地下採礦方法。其共同特徵是以崩落作為採礦程序的一部分，通常適用於規模較大、可崩性良好的礦體；採礦時須控制崩落與放礦，並評估地表下陷及貧化風險。

本題所稱三種陷落法，依主要採礦布置與崩落方式區分為：長壁陷落法、分段陷落法、階段陷落法（亦稱區塊陷落法）。

解題方法與三種方法

一、長壁陷落法（Longwall caving）

適用於近水平、層狀且延展面積大的礦床，常見於煤層。沿礦層布置長工作面，將工作面前方的礦層連續採出；工作面向前推進時，後方頂板失去支撐而有計畫地陷落。工作面通常以支架支撐，並配合採煤機及輸送設備作業；支架隨工作面推進，後方採空區則逐步垮落。

判斷重點是：工作面長、採出方向連續推進、頂板在工作面後方陷落。

二、分段陷落法（Sublevel caving）

將礦體沿垂直方向劃分為數個分段，在各分段掘進採礦巷道，從上向下或按設計順序進行鑿岩、爆破與放礦。每一分段採出礦石後，上盤圍岩隨之崩落；崩落圍岩逐漸進入採空區，放礦時須控制出礦量與放礦順序，以減少廢石混入。