111 專技高考高等考試 採礦工程技師 礦場設計與環境維護 考古題詳解

核心觀念

本題評量大型露天礦山系統工程設計之綜合能力。考生須掌握露天採礦學中「採、裝、運、碎、排」之動態匹配理論，並結合台灣水泥原料大理石礦山之地形、環保與法規特性。

1. 基本生產參數與質量平衡：

• 產品定位：水泥原料（著重化學成分穩定性 $\text{CaO} \ge 50\%$、$\text{MgO} \le 3\%$ 與入窯前粒徑，通常粗碎至 $-100\text{ mm}$ 或 $-150\text{ mm}$，不要求荒料完整度，需採「爆破破碎」而非「繩鋸切割」）。
• 產能規模：年產 $700$ 萬噸（超大型規模）。取年工作天數 $N = 300\text{ 天}$，雙班作業（每日有效工時 $T = 14\text{ 小時}$），其額定產能為： $Q_d = \frac{7,000,000\text{ 噸}}{300\text{ 天}} \approx 23,333\text{ 噸/天}$ $Q_h = \frac{23,333\text{ 噸/天}}{14\text{ 小時}} \approx 1,667\text{ 噸/小時}$ 考量設備利用率、不均勻係數與備用餘裕（取裕度係數 $K = 1.25$），裝運與破碎系統之設計通過能力應達 $2,000 \sim 2,200\text{ 噸/小時}$。

2. 階梯開採要素（依《礦場安全法》及《礦場安全法施行細則》）：

• 露天開採階梯高度（Bench Height）、階面寬度、安全平台（Safety Berm）與最終邊坡角（Overall Pit Slope Angle）之穩定性力學平衡。

3. 法規基準：

• 本題涉及之礦業規劃以命題當年（民國 111 年）法規為準（包括《礦業法》、《礦場安全法》、《水土保持法》及《環境影響評估法》；現行《礦業法》已於民國 112 年大幅修正，解題仍以命題當年架構為準）。

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解題方法

採用「系統工程逆推法」與「設備通過能力匹配原則」進行推導：

1. 輸入條件解析：年產 $700$ 萬噸大理石 $\to$ 產品為水泥原料 $\to$ 採階梯露天開採、鑽孔爆破落礦 $\to$ 粗碎加工 $\to$ 長距離低碳運輸。
2. 生產流程串接：地質剝離 $\to$ 穿孔爆破 $\to$ 裝載 $\to$ 坑內短程轉運 $\to$ 溜井及硐室破碎 $\to$ 下坡皮帶運輸（位能發電） $\to$ 預均化堆場。
3. 設備選型原則：大型化、高可靠度、機械化串聯作業，杜絕瓶頸工程。

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選項分析（申論命題維度解析）

本題為專技高考之申論題型，無選項代號。依題意針對「作業流程」、「採礦設備」、「運輸設備」、「選礦設備」、「附屬設施」五大核心維度逐一論述規劃原則：

一、 作業流程規劃原則

1. 開採方式：採山坡露天階梯式採礦法（Downhill Bench Mining），由上而下分層削坡開採，嚴禁下部掏挖。
2. 標準作業鏈：

• 剝離作業：清理表土及夾層廢石，送往指定排土場。
• 穿孔爆破：鑽設深孔台階砲孔，配合非電雷管或電子雷管實施微差爆破，控制爆破震波、飛石與大塊率（大塊率管制於 $3\%$ 以下）。
• 二次破碎：超徑大塊石採液壓碎石機（液壓破碎錘）機械裂解，避免二次爆破引發公害。
• 挖裝作業：重型挖掘機挖裝，確保階台採掘面進度均衡。
• 坑內轉運與垂直下落：自卸卡車短程倒運至自落式溜井（Ore Pass）。
• 破碎篩分：井底受礦峒室初級破碎至水泥廠標準入磨粒徑。
• 長距離降坡運載：密閉式長距離越野皮帶機下運至廠區預均化堆場。

二、 採礦設備規劃原則

1. 穿孔設備：

• 選型：高風壓潛孔鑽機（DTH Drill）或大型全液壓旋轉式鑽機，孔徑取 $150 \sim 200\text{ mm}$。
• 數量配置：依穿孔延米數及爆破比重計算，配置 $3 \sim 4$ 台（含 1 台備用），滿足每日約 $10,000\text{ m}^3$ 鬆動爆破量。

2. 挖裝設備：

• 選型：大型液壓正鏟／反鏟挖掘機（斗容量 $7.0 \sim 10.0\text{ m}^3$）為主，搭配大型輪式裝載機（Wheel Loader，斗容量 $\ge 6.0\text{ m}^3$）作為調配與清理輔助。
• 配比：採掘比裕度取 $1.2$，配置大型挖掘機 $3$ 台（2 開 1 備），單機日挖裝能力達 $12,000\text{ 噸}$。

3. 二次破碎設備：

• 配置重型液壓碎石臂／移動式液壓破碎錘 $2$ 組，安裝於溜井格篩口或工作階台。

三、 運輸設備規劃原則

1. 階台至集礦點（短程運輸）：

• 採重型礦用自卸卡車（Off-Highway Haul Truck，載重級別 $60 \sim 90\text{ 噸}$），車廂耐磨防衝擊。
• 運距最短化原則：將運距控制於 $1.5\text{ km}$ 以內，採用卡車短跑倒入階台邊緣之「自落式溜井」。

2. 垂直落差段（高程降落）：

• 規劃內壁襯砌耐磨鋼軌或耐磨混凝土之「垂直／陡傾斜溜井系統」，井徑約 $4.0 \sim 6.0\text{ m}$，底端設置重型板式給料機（Apron Feeder）與安全放礦控制閘門。

3. 平洞至水泥廠（長距離運搬）：

核心觀念

本題評量露天礦場或土石採掘作業中**「鏟裝與運搬設備產能計算及機隊匹配（Equipment Matching）」**的基礎設計能力，涵蓋兩大核心原理：

1. 挖土機生產力計算公式： 挖土機每小時產量可由單斗循環時間、斗容、鏟挖係數（裝載係數/滿斗率）及作業效率推算： $Q_h = \frac{3600}{C_m} \times q \times f \times E$ 其中：

• $Q_h$：每小時產量（$\mathrm{m^3/hr}$）
• $C_m$：挖土機單次挖掘循環時間（$\mathrm{s}$）
• $q$：斗容（$\mathrm{m^3}$）
• $f$：鏟挖係數（Fill Factor）
• $E$：挖土機工作效率（Efficiency）
• 每日產量則為 $Q_d = Q_h \times T$（$T$ 為每日作業時數）。配合礦石鬆方比重 $\gamma$（$\mathrm{t/m^3}$），可換算為重量產量（$\mathrm{t/day}$）。

2. 卡車－挖土機匹配數量（Truck Fleet Sizing）： 為維持挖土機最高連續作業效率，卡車數量應能無縫銜接挖土機裝載作業。其理論平衡部數 $N$ 定義為卡車往返循環總時間與單部卡車裝載時間之比值： $N = \frac{C_t}{t_l}$ 其中：

• $C_t$：卡車一趟往返之循環時間（Cycle Time，含裝車、重車運送、傾卸、空車回程、定位與停滯）
• $t_l$：挖土機裝滿一部卡車所需的時間（Loading Time）
• 計算所得之 $N$ 若非整數，為使挖土機作業不中斷，實務上採無條件進位取整數。

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解題方法

(一) 計算每天挖土機之最大產量

1. 計算挖土機單次循環時間（$C_m$）： $C_m = \text{裝斗時間} + \text{重車迴轉時間} + \text{卸料時間} + \text{空車迴轉時間} = 6 + 6 + 3 + 4 = 19\ \mathrm{秒}$

2. 計算每斗實質鏟裝量：

• 每斗鬆方體積 $q_1 = q \times f = 2.5\ \mathrm{m^3} \times 0.80 = 2.0\ \mathrm{m^3}\ (\text{鬆方})$
• 配合石灰石鬆方比重 $\gamma = 2.0\ \mathrm{t/m^3}$，每斗實質載重： $w = q_1 \times \gamma = 2.0\ \mathrm{m^3} \times 2.0\ \mathrm{t/m^3} = 4.0\ \mathrm{公噸}$

3. 計算挖土機每小時產量（$Q_h$、$W_h$）： 考慮挖土機工作效率 $E = 0.75$：

• 體積產量： $Q_h = \frac{3600}{19} \times 2.5 \times 0.80 \times 0.75 = \frac{5400}{19} \approx 284.21\ \mathrm{m^3/hr}$
• 重量產量： $W_h = Q_h \times \gamma = 284.21 \times 2.0 = \frac{10800}{19} \approx 568.42\ \mathrm{公噸/小時}$

4. 計算每日作業 7 小時之最大產量：

• 體積最大產量： $Q_d = Q_h \times 7 = \frac{5400}{19} \times 7 = \frac{37800}{19} \approx 1989.47\ \mathrm{m^3/天}$
• 重量最大產量： $W_d = W_h \times 7 = \frac{10800}{19} \times 7 = \frac{75600}{19} \approx 3978.95\ \mathrm{公噸/天}$

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(二) 計算需購置之卡車數量

1. 計算裝滿一部卡車所需斗數（$n$）與裝載時間（$t_l$）：

• 卡車載重量為 $20\ \mathrm{公噸}$，每斗實質載重為 $4.0\ \mathrm{公噸}$： $n = \frac{20\ \mathrm{公噸}}{4.0\ \mathrm{公噸/斗}} = 5\ \text{斗}$
• 裝滿一部卡車所需裝載時間：

核心觀念

本題旨在考驗採礦工程技師如何將爆破動力學與環境工程防制技術結合，解決露天礦場爆破引發之地盤振動公害問題。解題涉及的核心物理觀念、經驗公式及法規指標如下：

1. 爆破振動產生機制與評估指標： 炸藥爆炸釋放之總能量中，僅約 $20\% \sim 30\%$ 用於岩石破碎、裂隙延伸與拋擲位移，其餘大量剩餘能量轉化為彈性應變波向周圍地盤傳播，形成縱波（P波）、橫波（S波）及雷利波（Rayleigh波，地表破壞主因）。工程上最常以**峰值質點振動速度（Peak Particle Velocity, PPV，單位為 $\text{mm/s}$ 或 $\text{cm/s}$）**作為結構物損害與人體舒適度的評估指標。

2. 美國礦務局（USBM）比例距離經驗公式（Scaled Distance Formula）： $PPV = K \left( \frac{D}{\sqrt{Q}} \right)^{-\beta} = K (SD)^{-\beta}$

• $PPV$：地表峰值質點振動速度（$\text{mm/s}$）
• $D$：爆源至受振監測點（鄰近建物）之直線距離（$\text{m}$）
• $Q$：每段最大發藥量（Maximum Instantaneous Charge per Delay，$\text{kg}$）
• $SD = \frac{D}{\sqrt{Q}}$：比例距離（$\text{m/kg}^{0.5}$）
• $K, \beta$：受場址地質構造、岩體衰減特性及爆破幾何影響之地質經驗常數。

3. 相關法規基準： 本題以命題當年（民國 111 年）法規為準。工程規劃應符合《礦場安全法》及《事業用爆炸物管理條例》對炸藥儲運與施爆安全距離之規範；公害防制實務則依循當時行政院環境保護署（現行法已改制為環境部）訂定之振動防制參考指引，以及國際通用的德國工業標準 DIN 4150-3 建物振動安全許可值。

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解題方法

控制爆破振動的工程手段本質在於：降低源頭爆破能量密度（壓低 $Q$）、提高炸藥能量破岩效率（減少轉化為彈性波之能量）、增加傳播路徑阻抗，以及藉由即時監測動態回饋修正。工程控制措施可從以下四大構面全面切入：

一、 爆源端裝藥與起爆控制（源頭減震）

1. 採用微差爆破（Millisecond Delay Blasting）：

• 使用毫秒延時雷管（如電子雷管），將整場爆破劃分為若干微差時段（段差通常介於 $17 \sim 42\text{ ms}$）。
• 將總炸藥量分散，嚴格限制單一段別最大起爆藥量（$Q$），利用應力波相位干涉相互抵消，杜絕多孔同爆造成的地震波震幅疊加效應。

2. 孔內分段裝藥（Deck Loading）與空氣間隔技術（Air-decking）：

• 若單孔深度較深，於孔內使用不耦合裝藥或惰性材料（如沙包、空氣間隔塞）分為上下數段，個別設置雷管分段起爆。
• 利用孔內空氣間隔（Air-deck）調節爆轟氣體膨脹壓力的波形，削弱初始衝擊波峰值，提高爆破能量轉換為靜態破岩的效率。

3. 選用合適爆速與密度之炸藥：

• 圍岩較脆裂或距離民宅較近之採區，避免使用高爆速、高猛度之硝化甘油類炸藥；改採爆速適中之 ANFO（粒狀銨油炸藥）或乳膠炸藥，降低孔壁過度粉碎帶來的震波能量轉換。

二、 孔網幾何參數最佳化（提升做功效率）

1. 合理匹配抵抗線（Burden, $B$）與孔距（Spacing, $S$）：

• 抵抗線過大會使岩石夾制力遽增，爆氣無法向自由面膨脹，多餘能量被迫轉化為強烈地盤振動；抵抗線過小則產生飛石危害。應依岩石抗剪強度精確計算最佳抵抗線。

2. 嚴格控制超鑽深度（Sub-drilling）：

• 超鑽過深會直接將震波集中導入底盤深部基岩，產生高能量低頻率振動。應以維持作業平整面為限，並於軟弱底層改採少超鑽或不超鑽設計。

3. 優化填塞品質（Stemming）：

• 填塞長度通常維持在 $1.0 \sim 1.2$ 倍抵抗線，使用具稜角的堅硬級配碎石填塞，並確實夯實，防止爆氣過早從孔口逸散（衝孔），確保能量充分碎岩而非轉為空震與次生震動。

三、 傳播路徑阻隔與自由面導向（路徑衰減）

1. 預裂爆破（Pre-splitting）與光面爆破（Smooth Blasting）：

• 在主爆區與受保護建築物之間，沿開挖邊界預先引爆一排密集、小直徑、輕裝藥之預裂孔，貫通出一條連續張開的人工破裂面。
• 利用空氣與固體岩體間極大的波阻抗差異，使後續主爆發出的應力波在裂縫處產生全反射與折射衰減，大幅隔絕傳向保護區的橫向振動波。

2. 開挖減震空溝（Isolation Trench）：

核心觀念

本題測驗露天礦場開發設計與環境水土保持之整合能力，核心法規以命題當年（民國 111 年）之《水土保持技術規範》（露天採礦章節）及《礦場安全法》相關法規為準（註：水土保持主管機關現已改制為農業部農村發展及水土保持署，現行法規內容精義相同，解題以命題當年為準）。主要考核兩大領域：

1. 露天開採最終殘留壁幾何規範：依據不同開採對象（土質、原料、石材）之地質力學特性，評定階台幾何參數（階段高度、平台寬度、階段坡度、最終總坡度）與邊坡穩定安全係數（平時常時 $FS \ge 1.5$、地震時 $FS \ge 1.2$）。
2. 露天礦場地表水及地下水排水規劃：遵循「外水截流、內水分流、清污分流、高水高排、低水低排、滯洪沉砂」之防砂治水原則，建構完整的截水溝、階台溝、急流槽消能工、沉砂池與地下水消壓系統。

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解題方法

本題為標準申論題，採「法規數據精確化」與「工程系統模組化」切入：

1. 最終殘留壁規範：將題目所列「土質礦場」、「原料礦場」、「石材礦場」三大類別以條列對比呈現，精確列出規範中對「階段高度」、「平台寬度」、「階段坡度」、「最終總坡度」之具體數值與復舊整修要求。
2. 概略排水規劃：依空間集水歷程與水流動線，由外而內、由上而下建立系統架構：

• 外部未擾動區：周邊截水系統。
• 採掘作業區與殘壁面：階台導水與急流槽消能系統。
• 底部受水區：沉砂池與滯洪調節系統。
• 邊坡內部：深層與淺層地下水排除系統。

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選項分析

本題為高等考試專技技師之申論題，無選擇題選項。依典試委員評分標準，本題配分通常分為兩大子題（各佔 10～15 分）：

• 子題一（最終殘留壁規範）評分核心：須正確寫出三種礦場之地質特性差異對應的階段高度、階台寬度、階段坡度與整體坡度限值，若僅籠統描述無具體數據或幾何定義將嚴重失分。
• 子題二（概略排水規劃）評分核心：不可僅寫「挖排水溝」，須清楚論述「外水截引」、「階面導排」、「垂直降水消能」、「清污分流與沉砂處理」及「邊坡水壓排除」，展現採礦與水保工程整合思維。

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解題技巧

1. 殘留壁幾何口訣記憶：

• 土質礦場（強度最低，坡度最緩）：高 $\le 5\text{ m}$、寬 $\ge 2.5\text{ m}$、段坡 $\le 1:1$（$45^\circ$）、總坡 $\le 1:1.5$（約 $33.7^\circ$）。
• 原料礦場（炸藥爆破破碎，岩盤中等）：高 $\le 10 \sim 15\text{ m}$、寬 $\ge 3\text{ m}$、段坡約 $1:0.3 \sim 1:0.5$（約 $63^\circ \sim 73^\circ$）、總坡 $\le 1:1$（$45^\circ$）。
• 石材礦場（切鋸原石，岩盤完整）：高 $\le 10\text{ m}$、寬 $\ge 3\text{ m}$、段坡可垂直（$80^\circ \sim 90^\circ$）、總坡依岩理檢算（通常留設主安全平台使總坡度緩於 $1:0.7$）。

2. 排水規劃審題架構：牢記「截、導、消、沉、排」五字訣，依序展開為周邊截水溝、平台縱橫排水溝、急流槽/跌水消能池、多級沉砂池、邊坡仰斜排水管，回答即可滴水不漏。

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【答案】

一、露天礦場之最終殘留壁規範

依據《水土保持技術規範》及《礦場安全法》相關規定（以命題當年民國 111 年規範為準），露天礦場開採至境界線所形成之最終殘留壁，必須依礦種地質特性進行分階整修，確保邊坡安全係數於常時 $FS \ge 1.5$、地震時 $FS \ge 1.2$，各礦場具體規範如下：

礦場類別	階段高度（Bench Height）	平台寬度（Bench Width）	階段坡度（Bench Slope）	最終總坡度（Overall Slope）	殘留壁安全與水保復舊規範