111 專技高考高等考試 礦業安全技師 採礦學 考古題詳解

核心觀念

本題為礦業地質學與採礦工程學之交叉考題，考查地層幾何構造之幾何投影原理，以及地下採礦工程中如何利用地質產狀克服空間幾何與設備限制。

1. 真傾斜（True Dip）與偽傾斜（Apparent Dip）之定義：

• 走向（Strike）：傾斜面與水平面交線之延伸方位。
• 真傾斜（True Dip）：沿垂直於走向線方向向下量測之最大坡度線，其與水平面所夾之最大銳角稱為「真傾角」（$\alpha$）。
• 偽傾斜（視傾斜，Apparent Dip）：在任意非垂直於走向之垂直剖面上，礦層面（或地層面、斷層面）與水平面之交線方向及夾角，該夾角稱為「偽傾角」（$\beta$）。

2. 幾何三角關係式： 若真傾角為 $\alpha$，偽傾角為 $\beta$，視傾斜線之水平投影方向與真傾斜方向之夾角為 $\phi$（亦即與走向線之夾角為 $\theta = 90^\circ - \phi$），則滿足： $\tan \beta = \tan \alpha \cdot \cos \phi$ 或以走向線之夾角 $\theta$ 表示： $\tan \beta = \tan \alpha \cdot \sin \theta$ 因 $0 \le \cos \phi \le 1$（$0 \le \sin \theta \le 1$），故 $\tan \beta \le \tan \alpha$，得 $\beta \le \alpha$。即偽傾角恆小於或等於真傾角；唯有正交於走向時（$\phi = 0^\circ$）偽傾角等於真傾角，平行於走向時（$\phi = 90^\circ$）偽傾角為 $0^\circ$。
3. 採礦工程之物理與力學意涵： 重力加速度在任意傾斜面上的分力為 $g \sin \theta$。真傾斜方向具有最大重力滑移分力與最大坡度；而偽傾斜方向之坡度較小、重力沿層分力較小。採礦工程藉由調整開挖方向與走向之交角，達成控制坑道坡度、減緩崩落礦石衝擊力、防止支架傾倒及優化排水之目的。

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解題方法

本題為典型的申論題型，答題宜採「數理幾何定義 $\rightarrow$ 公式推導 $\rightarrow$ 工程實務應用」之三段式架構，層次分明：

1. 第一部分（定義與數理關係）：明確界定「走向」、「真傾斜」與「偽傾斜」之空間相對關係，並以簡要空間直角三角形投影推導 $\tan \beta = \tan \alpha \cdot \cos \phi$，說明「視傾角必小於真傾角」之數理特性。
2. 第二部分（坑道設計之意義）：從地下開拓與運輸坡度切入。採礦機具（如電機車、橡膠輪式無軌柴油卡車、LHD）具備嚴格的最大攀爬坡度極限；若礦體真傾角過陡，坑道無法直上直下，必須利用偽傾斜設計「之」字形（Zigzag）斜坡道或微坡度自流排水巷道。
3. 第三部分（回採開採之意義）：從採煤與採礦工作面配置切入。急傾斜礦層若沿真傾斜推進，落礦重力過大易損毀支護並危及人員，頂板與底板亦承受巨大的側向滑移剪應力；改採「偽傾斜採煤法」（如偽傾斜走向長壁法、偽俯斜採煤法），可將落礦轉化為受控的自溜滑動，並確保支架直立受壓穩定。
4. 第四部分（地質探勘與儲量計算）：指出非正交切過礦體之探礦石門、鑽孔剖面，必須藉由偽傾斜公式將視厚度校正為真厚度，確保礦量估算之精確度。

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選項分析

本題為高等考試專技人員之申論題，非選擇題，無選項。考生在應試時，評閱重點在於下列評分指標之掌握程度：

• 概念定義構面：是否正確指出偽傾斜發生於「非垂直走向之垂直剖面」，且數值「恆小於真傾斜」。若僅寫出字面解釋而未給出三角關係式，無法取得高分。
• 坑道設計構面：是否具體指出斜坑、斜坡道（Ramp）、沿脈平巷之「運輸坡度匹配」與「排水坡度控制」。
• 開採工法構面：是否論及急傾斜煤層/礦層之「偽傾斜開採法」，並說明其在「控速落礦（自溜）」與「工作面支架穩定性（抗滑防倒）」上之安全效益。

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解題技巧

1. 公式記憶與極值檢驗訣竅： 記憶公式 $\tan \beta = \tan \alpha \cdot \cos \phi$ 時，利用邊界條件快速驗算：

• 當沿真傾斜方向時，$\phi = 0^\circ \implies \cos 0^\circ = 1 \implies \beta = \alpha$（為真傾斜，坡度最大）。
• 當平行走向方向時，$\phi = 90^\circ \implies \cos 90^\circ = 0 \implies \beta = 0^\circ$（為走向線，水平無坡度）。
• 務必分清 $\phi$（與真傾斜方向之夾角）與 $\theta$（與走向之夾角），若使用與走向之夾角則為 $\sin \theta$。

2. 答題結構化口訣： 工程意義切記四字訣「運、採、排、圖」：

核心觀念

本題測驗「採礦地球物理探勘（Geophysical Prospecting）」中電法探勘的基礎學理與應用情境，核心在於辨析**自然電位法（Self-Potential Method，簡稱 SP 法）**之成因機制與適用地質條件：

1. 自然電位之定義： 屬於被動式電法探勘（Passive Electrical Method）。在地表無須施加任何人工激發電流，純粹利用高阻抗毫伏計（High-impedance Millivoltmeter）與不極化電極（Non-polarizing Electrodes），量測地下因自然物理或電化學作用所產生的天然電位差（單位為毫伏特，$\text{mV}$）。
2. 成因機制（Sato-Mooney 電化學氧化還原電池模型）： 在良導電性礦體（如金屬硫化物、石墨）跨越地下水位面時，上方處於氧化環境（富氧、氧化電位高）、下方處於還原環境（缺氧、氧化電位低）。導電礦體本體充當「導線」，將下方還原反應釋放的電子引導至上方氧化帶；周圍地層水則作為電解液，使陽離子由下方流向地下水面，構成封閉迴路。此作用在礦體頂部之地表投影處形成顯著的負電位異常（Negative SP Anomaly），電位降幅通常在 $-100\text{ mV}$ 至 $-1000\text{ mV}$ 之間。
3. 其他自然電位成因：

• 動電／滲流電位（Electrofiltration / Streaming Potential）：地下水沿孔隙流動產生雙電層流動電位。
• 擴散／接觸電位（Diffusion / Liquid-junction Potential）：不同濃度或成分的地下水接觸產生離子擴散。
• 溫差電位（Thermoelectric Potential）：地溫梯度不均引起。

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解題方法

本題為標準申論題，答題架構應直接劃分為兩大主軸，邏輯層次推進：

一、自然電位法（Self-Potential Method）之定義與原理

1. 量測本質： 自然電位法為被動式地球物理探勘技術。現場作業時，將一個基準電極置於無異常區域，另一個探測電極沿測線移動，量測地表各點相對的自然直流電位分布。
2. 極化與異常型態： 天然電位源中以「電化學礦化電位（Mineralization Potential）」幅值最大。當金屬礦體呈連續柱狀或脈狀延伸且跨越地下水位面時，礦體頂部扮演陰極（Cathode）、底部扮演陽極（Anode），電流在圍岩中由下向上流動，導致地表上方觀測到對稱或傾斜的極小值負電位漏斗曲線。

二、適合探勘之礦床種類及必要地質條件

SP 法並非適用於所有礦體，其成功關鍵在於礦石本身必須具備優良的電子導電性，且礦體形態須具備連續性並跨越氧化還原界線：

1. 金屬硫化物礦床（Sulfide Deposits）：

• 塊狀硫化礦（Massive Sulfides）：黃鐵礦（Pyrite, $\text{FeS}_2$）、黃銅礦（Chalcopyrite, $\text{CuFeS}_2$）、磁黃鐵礦（Pyrrhotite, $\text{Fe}_{1-x}\text{S}$）、方鉛礦（Galena, $\text{PbS}$）等。此類礦床為 SP 法最典型且成效最顯著的標的。

2. 石墨礦床（Graphite Deposits）：

核心觀念

石材開採（Dimension Stone Quarrying，又稱飾面石材或荒料開採）的核心在於「取整塊、防龜裂」，追求荒料率（Block recovery rate）最大化。與一般以破碎為目的之金屬礦或骨材炸裂開採完全相反，石材開採嚴禁造成岩體內部微裂隙（Micro-fissures）。

開採工法之選定，完全取決於岩體的下列物化與地質力學特性：

1. 礦物組成與熱物理性質：如石英（$\text{SiO}_2$）含量多寡與熱膨脹破裂效應。
2. 岩石力學強度：單軸抗壓強度（$\sigma_c$）與抗拉強度（$\sigma_t$），一般岩石抗拉強度僅約為抗壓強度的 $\frac{1}{10} \sim \frac{1}{20}$，因此劈裂法多利用岩石抗拉強度低之弱點。
3. 地質構造特徵：節理（Joints）、層理（Bedding）、片理（Schistosity）及石材的天然解理方向（如花崗岩的裂理 Rift、粒理 Grain 及硬面 Hardway）。
4. 安全法規要求：以命題當年（民國 111 年）法規為準，石材開採多採露天階梯式（臺階）採礦法，受《採礦安全規則》中有關露天採礦階面高度、坡度及崩塌防止規定之規範。

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解題方法

本題切入點應挑選原理不同、工業界最主流且對比鮮明的三種代表性工法：物理機械切割（金剛石繩鋸法）、熱力熱碎裂（火燄切割法）以及化學靜態膨脹劈裂（膨脹劑法）。

方式一：金剛石繩鋸切割法（Diamond Wire Saw Cutting）

• 開採原理： 利用穿孔設備（如水平與垂直潛孔鑽機）在岩體內鑽鑿相互貫通的正交導引孔，將穿有金剛石串珠之封閉環狀鋼索穿過孔道，透過繩鋸機之驅動輪帶動高速循環運轉（線速度約 $20 \sim 40\text{ m/s}$），同時施加冷卻水並以機械張力拉曳，藉由金剛石顆粒對岩石連續磨蝕與刮削，切出平整的垂直面或底部水平面。
• 適用岩體：

1. 岩體構造：節理裂隙不發育、呈厚層狀或塊狀（Massive）之完整岩體。
2. 岩性適用度：適用性最廣泛。特別適用於中軟～中硬度碳酸鹽類變質岩與沉積岩（如大理岩 Marble、石灰岩 Limestone、白雲岩 Dolomite）及蛇紋岩（Serpentine）；若搭配高耐磨金剛石串珠及足夠功率，亦廣泛用於緻密堅硬的火成岩（如花崗岩 Granite、閃長岩 Diorite、安山岩 Andesite）。

方式二：火燄切割法（Flame Jet Channeling / Thermal Piercing）

• 開採原理： 利用燃油（柴油）與高壓氧氣（或壓縮空氣）在特製噴槍中燃燒，產生溫度高達 $1600^\circ\text{C} \sim 1800^\circ\text{C}$ 的超音速熱氣流，高速噴射於岩面。岩石表面受極速熱衝擊，礦物顆粒急遽膨脹，且因石英在 $573^\circ\text{C}$ 時會產生晶相轉變（$\alpha$ 相轉變為 $\beta$ 相，體積驟增），在熱應力極大且散熱不良下產生晶體剝落（Thermal Spalling），連續噴吹剝落即可形成切割槽溝（分離解體）。
• 適用岩體：

1. 成分限制：嚴格限定於高石英含量（通常石英體積比 $> 25\% \sim 30\%$）、結晶均勻且導熱性差的矽酸鹽類岩體。
2. 代表性岩種：花崗岩（Granite）、流紋岩（Rhyolite）、石英斑岩（Quartz Porphyry）。
3. 不適用者：碳酸鹽類岩石（大理岩、石灰岩），因受高溫會直接化學分解脫碳酸（$\text{CaCO}_3 \rightarrow \text{CaO} + \text{CO}_2\uparrow$）而粉化灰化，無法產生熱碎裂剝落，絕對嚴禁使用。

核心觀念

本題評量地下礦山開採工程中「井巷開拓」（Shaft Development）之核心專業知識。豎井（Vertical Shaft）為連接地表與地下深部礦體最主要的垂直通道，在現代礦山兼具提升（礦石、廢石、人員、器材）、通風、排水、動力傳輸管線敷設，以及利用重力自流之垂直儲礦倉（Ore Bin / Ore Pocket）等多元機能。

本科涉及的核心理論與法規基準如下：

1. 採礦工程學開拓理論：依地質條件選擇普通鑿井法（鑽孔爆破法）、特殊鑿井法（凍結法、注漿法、沉井法）或反井鑽機法（Raise Boring）；施工組織方式分為「單行作業」、「平行作業」及「短段掘砌混合作業」。
2. 礦場安全法規（以命題當年民國 111 年法規為準）：依《礦場安全法》及《礦場安全法施行細則》規定，地下礦場必須設置兩個以上通達地表之安全出入坑道；豎井之開拓與安裝須符合提升裝置安全係數、制動系統、過捲防止裝置、避難梯子間隔及防水防瓦斯之安全規範。

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解題方法

本題為標準之申論論述題，切入點應採「施工工藝與工程管理」雙軸線展開：

1. 分類說明開拓方法：先確立地質適應性，區分常規岩層（鑽爆法）、特殊不穩定/含水地層（凍結、注漿、沉井）及具備底層通道之現代化工法（反井鑽機法）。
2. 階段與循環雙重順序：順序須分兩層次說明——巨觀的「整體工程階段順序」（由表至底）與微觀的「單一掘砌循環工序」（破岩至支護）。
3. 全面開展核心內容：涵蓋鑽爆破岩、裝岩提升、井壁支護、附屬設施安裝，並特別針對題旨「儲料及運輸通道」強化說明井底計量裝載倉（Measuring Pocket）與垂直礦倉之結構與開挖內容。

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選項分析

本題為高考專技技師之申論題，非選擇題，無選項可供比對。考生應避免流水帳式雜述，須以條列化、工程階段化之清晰架構應試。

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解題技巧

1. 工序口訣化：掘砌單一循環作業牢記「測、鑽、爆、通、撬、裝、提、護」（測量放樣 $\rightarrow$ 鑽眼裝藥 $\rightarrow$ 爆破 $\rightarrow$ 通風排煙 $\rightarrow$ 敲幫問頂清除浮石 $\rightarrow$ 抓岩出渣 $\rightarrow$ 提升轉運 $\rightarrow$ 井壁支護）。
2. 切題關鍵字佈局：閱卷重點在於專業專有名詞之精確度，務必寫出「井頸、井身、井底車場、井窩」、「短段掘砌混合作業」、「金屬活動模板」、「提升罐道」、「計量裝載箱」等關鍵術語。
3. 避免常見陷阱：

• 勿只寫基岩掘進，而遺漏表土層（井頸段）的護壁與鎖口工程。
• 勿忽略「儲料」功能，須提及豎井下部礦倉（Ore Pocket）與防粉塵、防堵塞配置。

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【答案】

一、豎井開拓方法

豎井開拓方法之選擇取決於工程地質、水文條件、井深、井徑及地下既有巷道之分佈：

1. 普通鑿井法（鑽孔爆破法，Conventional Shaft Sinking）：

• 適用條件：地質構造穩定、岩石堅硬、地下湧水量小於 $10\text{ m}^3/\text{h}$ 之基岩段。
• 施工特點：利用多臂鑿岩台車（Sinking Jumbo）鑽鑿傘形掏槽眼，裝填炸藥爆破破碎岩石，配合抓岩機（如長繩懸吊抓岩機、中心迴轉抓岩機）出渣，由吊桶（Bucket / Kibble）提升至地面。

2. 反井鑽機開拓法（天井鑽機法，Raise Boring Method）：

• 適用條件：豎井底部已有開拓巷道或運輸水平貫通之現代化礦山。
• 施工特點：先由地表向下鑽鑿高精度小直徑導孔（Pilot Hole）穿透至底層巷道；隨後在底層更換大型滾刀擴孔鑽頭（Reamer），由下向上旋轉拉削擴孔，岩屑藉由重力自流落入底部巷道由裝載機運出。此工法無人員進入井筒爆破，施工速度快且極具安全性。

3. 特殊鑿井法（Special Sinking Methods）：

• 凍結法（Freezing Method）：適用於深厚含水不穩定表土層（如流砂層）。利用人工製冷技術將井筒周圍地層凍結成閉合抗壓之凍結壁，在凍結壁保護下進行掘砌作業。
• 注漿鑿井法（Grouting Method）：在井筒穿過富水破碎帶前，透過注漿孔向地層注入水泥漿或化學漿液，充填裂隙並阻斷地下水，固結圍岩後再行開挖。

核心觀念

本題測驗「採礦學」與「礦場安全工程」中關於採掘跡（採空區／露天採坑，Mined-out Area / Goaf / Pit）之後續處理工法與安全維護。

1. 問題核心：礦體開採完畢後，地下會留下巨大的採空空間，地表則留下開挖坑體或殘壁。若未妥善處理，地下採掘跡會引發圍岩應力集中、大面積突發性冒頂、衝擊地壓（Rockburst）、地表沉陷（Surface Subsidence）、有毒有害氣體（如 $\text{CH}_4$、$\text{CO}$）蓄積或自燃，以及地下水突水等災害；露天採掘跡則面臨邊坡滑動、落石、水土流失與酸性礦山排水（AMD）等環境公害。
2. 法規依據（以命題當年民國 111 年法規為準）：

• 《礦場安全法》第 23 條至第 26 條（坑內通風、防火、防水及廢棄坑道密閉之安全規範）。
• 《礦場安全法施行細則》關於採空區密閉牆構築、殘留礦柱管理及排水防範等規定。
• 《水土保持法》及相關技術規範（露天採掘跡之覆土、整地與植生綠化）。
• （法規變動提醒：現行《礦業法》已於民國 112 年 6 月大幅修正公布，增訂「礦場關閉計畫」與更嚴格之環境復育及公害防制法定義務，但解題仍以命題當年法規精神為準。）

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解題方法

本題屬廣度與深度並重的申論題型，答題切入點應按開採方式之空間型態分類論述，使架構清晰嚴謹：

1. 地下採礦（Underground Mining）採掘跡之處理：以「地壓控制」、「通風隔絕」與「水害／火害防制」為核心，分為充填法、崩落法、密閉隔絕法與留設支撐法。
2. 露天採礦（Surface / Open-pit Mining）採掘跡之處理：以「邊坡穩定」、「覆土回填」、「水土保持」與「景觀再利用（水坑化）」為核心。
3. 長期環境安全監測與封坑工程：說明整體礦區關閉時之坑口封閉與長期沉陷／水質監測。

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解題技巧

1. 分類作答切勿偏廢：許多考生僅著重於地下開採的「充填」或「放頂」，遺漏了露天採礦與整地復育。必須將「地下」與「露天」並列論述，分數才會完整。
2. 工法應對應安全目的：描述每項工法時，務必說明「如何做（實施方法）」與「為何做（力學或安全機制）」，例如：膠結充填是為了抑制圍岩應力釋放與地表沉陷；密閉牆是為了防範缺氧、氣體爆炸或自燃。
3. 關鍵字精準使用：善用採礦工程標準術語，如「水力充填」、「膠結膏體充填（Paste Backfill）」、「強迫放頂（Induced Caving）」、「耐壓密閉牆（Bulkhead）」、「階梯化削坡（Benching）」、「水坑化（Pit Lake）」。

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【答案】

當礦山礦體採盡之後，針對舊採掘跡之處理，依開採方式分為地下採掘跡處理、露天採掘跡處理以及整體封閉與環境監測，其實施方法分述如下：

一、地下採礦舊採掘跡之處理及實施方法

1. 充填法（Backfilling Method）

• 原理與目的：利用外來材料將地下採空區填滿，藉由充填體的支撐抗力抑制圍岩移動與頂板下沉，能根本防止地表大面積下陷、岩層破壞與自燃火災。
• 實施方法：
• 水力充填（Hydraulic Stowing）：將尾礦、河砂或破碎石料與水按比例混合成漿體，藉管道以重力或泵壓輸送至採掘跡，脫水後形成支撐體。
• 膠結膏體充填（Cemented Paste Backfill, CPB）：將脫水尾礦砂加入水泥或爐石粉等膠結劑，調製成高濃度膏體泵送入坑，固化後具備較高單軸抗壓強度（UCS），支撐效能最佳。
• 乾石／風力充填（Dry Rock / Pneumatic Stowing）：利用廢石直接回填，或以壓縮空氣將碎石噴射吹填入採掘跡，常用於缺乏水源或局部採空區處理。

2. 崩落放頂法（Caving Method）

• 原理與目的：採盡後不再保留支撐，主動讓採掘跡上覆頂板自然或人為垮落，利用垮落岩石之碎脹體積（Swell Factor）逐漸充塞採空區，消除大面積懸頂（Hang-up），避免日後頂板突然大面積墜落