111 專技高考高等考試 礦業安全技師 炸藥與爆破 考古題詳解

核心觀念

本題考查工程爆炸學與工業炸藥化學反應動力學之核心基礎——炸藥化學反應的三種基本形態（熱分解、燃燒、爆轟）之能量傳遞機制、流體力學特徵及相態轉化機制。

1. 反應傳播物理機制：區分反應能量是由「分子擴散與熱傳導」（次音速）或由「強烈震波/衝擊波之絕熱壓縮」（超音速）所主導。
2. Chapman-Jouguet (C-J) 爆轟理論與氣動力學：理解爆轟波陣面之流體動力學特徵，包含波速 $D$、波面壓力 $P_{CJ}$ 與介質聲速 $a$ 之關係。
3. 動態轉換機制：

• 熱自燃理論（Semenov / Frank-Kamenetskii 熱爆炸理論）：熱平衡破壞導致熱分解轉向燃燒。
• 燃燒轉爆轟機制（Deflagration to Detonation Transition, DDT）：密閉約束與自加速壓力波追趕疊加形成強烈震波的過程。
• 臨界條件與衰減退化：裝藥直徑小於臨界直徑 ($d < d_c$) 或能量耗散引發之爆轟熄滅或退化。

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解題方法

本題為經典申論題型，答題應採取**「三維對比解析＋動態歷程建模」**的結構佈局：

1. 橫向定義與特點剖析：分別從「物理本質（傳播機制）」、「傳播速度（與未反應物聲速比較）」、「反應壓力等級」及「外部邊界條件依存性」四個構面，詳述熱分解、燃燒及爆轟之定義與關鍵特點。
2. 彙整比較表：利用精準的量化數值範圍與機制對比表格，使閱卷委員能迅速掌握技術核心。
3. 縱向動態轉換邏輯：按物理演進順序剖析「熱分解 $\rightarrow$ 燃燒 $\rightarrow$ 爆轟」之正向觸發條件（著火、DDT），以及「爆轟 $\rightarrow$ 燃燒/熄爆」之逆向衰減機制，並補充衝擊波引爆（SDT）之直接轉化路徑。

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選項分析

本題為申論試題，無選擇題選項；依考選部評分規準，將題旨核心子題拆解為評分爭點進行深度剖析：

• 子題一：三者定義之準確度：必須點出「能量傳遞途徑」之本質差異。若僅答「燃燒較慢、爆轟較快」無法拿滿分，必須明確區分「分子熱傳導」與「震波衝擊壓縮」。
• 子題二：特點論述之完整度：特點須包含反應速率數量級、波陣面壓力（常壓、$\text{MPa}$ 級、$\text{GPa}$ 級）以及產物對外界之作功能力（靜壓膨脹 vs. 猛度動態破壞）。
• 子題三：相互轉換關係之深度：考生常忽略轉換所需之「物理環境邊界條件」（如：密閉束縛程度、裝藥直徑、孔隙率）。必須完整交代 DDT（燃燒轉爆轟）的波系疊加物理過程。

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解題技巧

1. 速度與壓力之判別標準：

• 燃燒（爆燃）：傳播速度 $v < a_0$（次音速，通常為 $\text{mm/s}$ 至數百 $\text{m/s}$），壓力約數十至數百 $\text{MPa}$。
• 爆轟：傳播速度 $D > a_0$（超音速，通常為 $2000 \sim 8000\text{ m/s}$），壓力達數萬大氣壓至數十 $\text{GPa}$（例如 ANFO 約 $5 \sim 10\text{ GPa}$，乳化炸藥約 $10 \sim 15\text{ GPa}$）。

2. 答題陷阱提醒：

• 嚴禁將「爆炸」與「爆轟」畫上等號。廣義爆炸包含物理性或低速化學膨脹破裂；爆轟則特指伴隨超音速震波的自持化學反應。
• 論述 DDT 轉化時，**「約束（Confinement/密閉條件）」與「前驅壓縮波之疊加加速」**為奪分關鍵詞，遺漏將大幅失分。

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【答案】

一、熱分解、燃燒與爆轟之定義與特點

(一) 熱分解 (Thermal Decomposition)

1. 定義： 炸藥在無外加引爆衝擊及未達著火點之受熱狀態下，炸藥分子因熱運動而發生的自發性、非自持化學鍵斷裂與重組反應。
2. 特點：

• 反應速度極低：反應由分子活化能決定，通常反應速度在 $10^{-6} \sim 10^{-2}\text{ m/s}$ 數量級，常溫儲存時極其緩慢。
• 無自持傳播機制：無明顯反應波陣面，能量散失主要依賴環境熱傳導；若散熱良好，系統可維持穩定，無顯著壓力上升。
• 安全指標基礎：為評估炸藥化學安定度（Chemical Stability）與貯存壽期之關鍵反應形態。

(二) 燃燒（爆燃）(Combustion / Deflagration)

1. 定義： 炸藥分子受外部熱源點燃後，依賴反應區釋放之熱量藉由**「熱傳導與物質擴散」**方式向未反應層加熱，引發自持傳播的放熱化學反應。
2. 特點：

• 次音速傳播：燃燒波陣面傳播速度低於炸藥未反應介質中之聲速 $a_0$，速度範圍通常由每秒數公厘（$\text{mm/s}$）至每秒數百公尺（$\text{m/s}$，不超過 $1000\text{ m/s}$）。
• 中低壓力產生：反應區壓力一般由數個大氣壓至數百 $\text{MPa}$，主要藉由高溫氣體之等熵膨脹對周遭介質施加推力（靜壓力作用）。
• 受環境壓力與約束影響強烈：燃燒速度與環境壓力 $P$ 呈正相關（遵循 Vieille 燃燒定律：$u = u_1 P^n$），密閉條件良好時會迅速自加速。

核心觀念

本題旨在測驗炸藥與爆破工程中「爆破方法分類學」之核心架構，以及各爆破法在工程實務上的技術特徵。主要考點與核心定義包含：

1. 工程爆破的兩大類劃分依據： 依藥包在介質中所處的位置，工程爆破通常先分為：

• 內部爆破法（Internal Blasting）：將藥包置於岩體內部經鑽掘之空間（鑽孔或硐室）內進行爆破。
• 外部爆破法（External Blasting / 表面爆破）：將藥包直接敷設於被爆物體表面，不需向內部鑽孔。

2. 三項分類維度：

• 藥包形狀：集中藥包（球狀、立方體狀，長徑比 $L/d \le 4$）與延長藥包（柱狀、線形，長徑比 $L/d > 4 \sim 6$）。
• 裝藥空間形狀：鑽孔孔穴（圓柱形孔）、人工開鑿之硐室（箱型/球型空腔）、或無人工封閉空間之岩石表面。
• 裝藥方式：人工裝藥、機械化連續裝藥、空氣間隔裝藥、外附敷泥（糊炮）等。

3. 四大經典工程爆破法：

• 淺孔爆破法（孔徑 $\le 50\text{ mm}$，孔深 $\le 5\text{ m}$）
• 深孔爆破法（孔徑 $> 50\text{ mm}$，孔深 $> 5\text{ m}$）
• 硐室爆破法（藥室爆破）
• 裸露藥包爆破法（糊炮、表面爆破）

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解題方法

本題為標準的架構性論述題，切入點應採「先宏觀分類，後微觀詳述」之層次開展：

1. 定義「兩大類」：開門見山點出工程爆破依空間位置分為「內部爆破」與「外部爆破」。
2. 展開「四種爆破方法」：將四種爆破方法依序以五大核心要素完整展開：

• 藥包形狀分類
• 裝藥空間形狀
• 裝藥方式
• 優點與缺點
• 適用條件

3. 整合比較：透過精準的工程參數（孔徑、孔深、長徑比）建立邊界條件，展現技師級的專業度。

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選項分析

本題為高等考試專技技師之申論題型，無選擇題選項。此處針對考生常混淆之分類界限進行辨析：

• 「藥壺爆破（壺鑽爆破）」與「硐室爆破」之區別：藥壺爆破是在鑽孔底部經多次爆擴形成壺狀空間後裝藥，屬於鑽孔爆破的一種特化衍生型，非四大基本獨立類別；硐室爆破則是直接依賴坑道、豎井開挖專門藥室。
• 「淺孔」與「深孔」之界限：國內外採礦與爆破安全規範以孔徑 $50\text{ mm}$ 與孔深 $5\text{ m}$ 作為絕對分水嶺（孔徑 $\le 50\text{ mm}$ 且孔深 $\le 5\text{ m}$ 為淺孔；任一指標顯著超越且以深孔機具施作者為深孔）。
• 「裸露爆破」在安全法規之定位：以命題當年（民國 111 年）《事業用爆炸物管理條例》及《礦場安全規則》為準，裸露爆破（糊炮）因能量外洩嚴重、衝擊波大且極易引燃瓦斯煤塵，在地下礦場及特定作業環境中受到嚴格限制或全面禁用，故其「適用條件」必須強調僅限於應急或露天輔助作業。

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解題技巧

1. 記憶口訣「淺、深、硐、裸」：工程爆破四大支柱一氣呵成，依序對應小孔、大孔、大洞、無孔。
2. 規格邊界數字化：寫出淺孔與深孔的關鍵門檻數值（$50\text{ mm}$ 與 $5\text{ m}$），能直接拉高評分檔次。
3. 優缺點對比結構化：每種方法均從「施工難易度／設備投資」、「炸藥能量利用率」、「安全性與周邊危害（震動、飛石、空氣衝擊波）」三個面向進行對比，邏輯嚴整不漏球。

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【答案】

一、工程爆破之兩大基本分類

工程爆破依據藥包相對於被爆介質的空間幾何位置，通常分為兩大類：

1. 內部爆破法（Internal Blasting）：在被爆岩體內部預先鑽孔或開掘洞室，將藥包裝入封閉空間並填塞後起爆。炸藥能量主要透過岩體內部的爆轟壓力波與爆生氣體膨脹進行破碎，能量利用效率高。
2. 外部爆破法（External Blasting）：不對岩體進行鑽掘作業，直接將藥包敷設貼附在被爆物體的表面進行起爆。炸藥能量主要以衝擊波直接打擊表面，能量散逸至空氣中較多。

在上述兩大範疇下，依據藥包形狀、裝藥空間形狀及裝藥方式，工程上最普遍劃分的四種爆破方法詳述如下：

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二、四種爆破方法之特徵、優缺點與適用條件

（一）淺孔爆破法（Shallow Hole Blasting）

1. 藥包形狀、裝藥空間形狀與裝藥方式：

• 藥包形狀：延長柱狀藥包（長徑比 $L/d > 4 \sim 6$）。
• 裝藥空間形狀：細長圓柱形鑽孔，其孔徑 $d \le 50\text{ mm}$（一般為 $32 \sim 45\text{ mm}$），孔深 $L \le 5\text{ m}$。

核心觀念

本題考核「岩石力學與波動力學在爆破工程中之基礎應用」，核心在於區分「完整岩石（Intact Rock）的物理／動態性質」與「現場岩體（Rock Mass）的巨觀結構性質」，並連結至炸藥能量傳遞、岩石破碎機制及鑽孔施工。

1. 波阻抗（Wave / Acoustic Impedance）：介質密度 $\rho$ 與縱波波速 $V_p$ 的乘積（$Z = \rho \cdot V_p$），控制炸藥爆轟能量進入岩體的「阻抗匹配（Impedance Matching）」效率與應力波在自由面的反射特性。
2. 強度（Strength）：岩石抵抗外力破壞的極限應力（包含動態／靜態抗壓、抗拉、抗剪強度），決定粉碎圈、破裂圈及剝裂（Spalling）破壞的門檻。
3. 硬度（Hardness）：岩石表面抵抗較硬外物壓入或刮磨的能力，主要決定穿孔效率（Drillability）與鑽頭磨損。
4. 裂隙性（Fracturing / Discontinuity）：岩體內部節理、層理、裂隙等弱面的發育程度，控制應力波衰減、爆轟氣體洩漏以及爆破後岩石塊度分布（Fragmentation）。

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解題方法

本題為標準申論題，作答切入點應採「三層式架構」：

1. 精確定義與量度指標：寫出物理定義、常用公式或試驗量測方法。
2. 物理意義：從微觀物質構造、連續介質力學角度闡述其物理本質。
3. 爆破工程實務關聯：直接連結至炸藥爆破破壞機理（應力波傳播、氣體膨脹、鑽孔作業），展示專業深度。

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選項分析

（本題為高考專技專科申論題，非選擇題。以下依閱卷評分重點針對四大構面進行評分要點拆解）：

• 波阻抗：須寫出數學定義式 $Z = \rho \cdot V_p$；重點在於「能量傳遞效率（阻抗匹配）」與「界面波形轉換（壓縮波反射為拉伸波）」。漏寫阻抗匹配將大幅失分。
• 強度：須強調岩石的「異向性與拉壓非對稱性」（抗壓強度遠大於抗拉強度）；重點在於爆破破壞機制（近區壓碎、中遠區拉裂）。
• 硬度：須嚴格區分「硬度」與「強度」的物理維度差異；硬度對應表面抗壓入性與抗磨性，工程實務重點在於「鑽孔作業（鑽掘性）」。
• 裂隙性：須將視角由「室內岩心尺度」提升至「現場岩體尺度」；重點在於不連續面對應力波的高阻抗失配、爆轟高壓氣體的溢散（通氣效應），以及對最終爆破塊度的天然控制。

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解題技巧

1. 避免混淆強度與硬度：強度是材料破壞的極限「應力值」（單位為 $\text{MPa}$）；硬度是材料表面局部變形的抗力（如莫氏硬度、壓入硬度、回彈值），兩者物理量綱不同。
2. 掌握動態力學特性：炸藥爆破屬於超高應變率（Strain Rate $> 10^2 \text{ s}^{-1}$）加載，動態抗拉強度與動態抗壓強度通常高於靜態強度，解題時帶出「動態特性」可提高得分層次。
3. 公式化表達：波阻抗列出公式 $Z = \rho \cdot V_p$，並輔以阻抗比 $n = Z_r / Z_e$ 說明反射與穿透係數，論述更具說服力。

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【答案】

一、岩石之波阻抗（Wave Impedance）

1. 定義： 岩石的波阻抗（通常指縱波波阻抗，記作 $Z_r$）為岩石質量密度 $\rho$ 與彈性縱波（P波）在岩石中傳播速度 $V_p$ 的乘積： $Z_r = \rho \cdot V_p$

核心觀念

地下隧道開挖爆破屬於「單自由面爆破」，岩體受到極大的周圍夾制力。**掏槽爆破（Cut Blasting）**為隧道爆破成敗之關鍵工序，其核心目的在於開挖工作面上率先爆破破壞局部岩體並拋出，形成開口槽腔，為後續之輔助孔（崩落孔）及周邊孔創造第二個「輔助自由面」與岩石碎脹補償空間。

本題評量之核心觀念包括：

1. 破岩自由面力學與夾制效應：岩石抗拉強度遠低於抗壓強度，掏槽主要藉由反射拉伸波及膨脹氣體壓力使岩石朝自由面方向崩落。
2. 幾何布孔形態：

• 斜眼掏槽（Angled/Inclined Cut）：炮孔軸線與工作面呈特定傾角，利用相向夾角形成楔形或錐形拋擲體。
• 直眼掏槽（Parallel/Straight Cut）：炮孔垂直於工作面，藉由不裝藥之大直徑「空孔」提供人工自由面與岩石碎脹膨脹空間。

3. 爆破震動衰減與控制原理： 依據震動速度經驗公式（如 USBM 標度距離公式）： $PPV = K \cdot \left( \frac{R}{\sqrt{Q}} \right)^{-\beta}$ （其中 $PPV$ 為峰值地表振動速度，$Q$ 為單段最大瞬發裝藥量（MIC），$R$ 為距離，$K, \beta$ 為地質衰減常數）。因掏槽孔夾制力最大、裝藥量集中，通常為全斷面引發震動最大之孔段。減輕地震動掏槽之核心在於分散 $Q$、延長起爆時差、改善起爆順序及人工阻隔震波。

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解題方法

本題為標準的觀念闡述與工程比較題，作答時應切入以下架構：

1. 名詞定義與破岩機理：分別定義斜眼掏槽、直眼掏槽及減輕地震動掏槽之布置形態與物理機制。
2. 工程特性與優缺點評析：從「每循環進尺長度」、「斷面大小限制」、「鑽孔精度與機械化程度」、「爆破震動與飛石」等維度對比優缺點。
3. 減輕地震動之實務工法拆解：具體列舉工法（如電子雷管多段微差、小螺旋掏槽、切縫預裂引導槽等），展現技師層級之實務專業深度。

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選項分析

本題為專技高考之申論題，非選擇題。以下依題目要求，將「斜眼掏槽」、「直眼掏槽」及「減輕地震動掏槽形式」三項主題逐一進行系統化剖析：

一、斜眼掏槽（Angled Cut）

• 定義與形式：掏槽孔軸線與工作面成一定傾斜角（非垂直，通常夾角介於 $55^\circ \sim 75^\circ$）。起爆後各孔相向作用，岩石受剪切與拉伸破壞後沿傾斜方向向外拋出形成槽腔。
• 常見類型：楔形掏槽（V-cut / Wedge cut）、錐形掏槽（Pyramid / Cone cut）、單向扇形掏槽（Fan cut）。
• 優點：

1. 單位炸藥消耗量較低：利用相向傾角爆破，爆破作用力易使岩塊向外崩落並拋擲，掏槽效果顯著。
2. 掏槽孔數量較少：相較於直眼掏槽，不需要額外鑽鑿未裝藥之空孔。
3. 鑽孔精度容錯率相對較高：孔底即便有些微偏差，錐體交會處仍能形成有效應力集中，不易因少許偏位而全盤失敗。
4. 適用於各類中硬至堅硬岩層。

• 缺點：

1. 每循環進尺受隧道斷面幾何限制：孔深極受隧道開挖寬度（或高度）與鑿岩設備桿長的幾何干涉限制，通常單循環開挖深度難以超過斷面淨寬的 $0.5 \sim 0.7$ 倍，不適用於深孔爆破。
2. 機械化施作困難度高：現代大型電腦鑿岩台車（Jumbo）較難自動精準定位傾斜角度，多仰賴人工調整鑽桿角度。
3. 飛石拋擲距離較遠：岩石朝工作面正前方強力拋出，易損壞鄰近的機械設備與既有支撐。

二、直眼掏槽（Parallel Cut / Burn Cut）

• 定義與形式：所有掏槽孔（含裝藥孔與不裝藥之空孔）均垂直於隧道開挖工作面平行鑽鑿。利用一個或數個較大直徑（或密集排列）之「未裝藥空孔（Empty/Relief hole）」作為人工輔助自由面，裝藥孔引爆後，受爆震波壓碎之岩石向空孔方向擠壓破壞並噴出，形成初始孔槽。
• 常見類型：菱形/角柱掏槽（Diamond cut / Square cut）、螺旋形掏槽（Spiral cut）、筒形掏槽（Cylinder / Coromant cut）。
• 優點：

1. 每循環進尺不受斷面尺寸限制：鑽孔垂直於工作面，鑽桿不受隧道兩側側壁空間限制，可鑽鑿長孔，利於深孔爆破（每循環進尺可達 $3 \sim 5\text{ m}$ 以上）。
2. 高度利於機械化作業：孔位與推進方向平行，最適合現代化液壓鑿岩台車進行自動化、高效率之鑽孔。
3. 飛石拋擲集中：岩塊多在空孔間互相研磨擠碎後湧出，拋擲動能低，岩堆集中在工作面前方，有利於快速出碴並保護設備。

• 缺點：

1. 鑽孔精度要求極為嚴苛：裝藥孔與空孔間距極近（常在十數公分內），若鑽孔偏斜導致孔底間距過小會造成「沖孔」或岩石熱熔固結（Sintering）；若間距過大則無法破壞至空孔，導致掏槽失敗。
2. 鑽孔工程量大且成本高：需額外鑽鑿大口徑空孔（通常直徑 $\phi = 76 \sim 102\text{ mm}$ 以上），鑽頭磨耗大、鑽孔總長度增加。
3. 單位炸藥消耗量較大：受周圍三維空間圍壓拘束程度高，需要高爆速、高威力的炸藥壓碎岩石。

三、減輕地震動掏槽形式（Vibration-Reduction Cut）

• 定義與形式：在鄰近既有建物、捷運高鐵隧道、水庫壩體等震動敏感區域開挖時，針對「掏槽區」這處最大夾制力、最大震動來源所採用的防振控震布孔與起爆配置。其核心目的為嚴格限制「單段最大瞬發裝藥量（MIC）」並阻斷震波能量。

核心觀念

本題旨在測驗礦業安全與炸藥爆破工程中，有關「爆破公害／環境有害效應（Environmental Hazards of Blasting）」之基本概念及其工程防制技術。相關法規以命題當年（民國 111 年）《事業用爆炸物管理條例》及《礦場安全法》相關技術規範為準。

1. 爆破能量分配與有害效應定義： 炸藥起爆後釋放之巨大能量中，僅約 $20\% \sim 30\%$ 轉化為破碎與拋擲岩石之「有效功」；其餘 $70\%$ 以上未受充分利用之多餘能量，則逸散轉化為對周圍環境、結構物及人畜安全造成威脅與干擾的現象，統稱為爆破有害效應。
2. 三大主要物理效應與評估公式：

• 地震（地盤振動，Ground Vibration）：炸藥應力波在岩土介質中衰減傳播引發之波動。工程上以質點振動速度峰值（Peak Particle Velocity, $\text{PPV}$）與振動頻率（$f$）作為評估破壞潛勢之基準。常用經驗預測式為美國礦務局（USBM）之比例距離公式： $\text{PPV} = K \cdot (SD)^{-\beta} = K \cdot \left(\frac{R}{\sqrt{Q}}\right)^{-\beta}$ 其中 $R$ 為爆心距（$\text{m}$），$Q$ 為單段最大起爆藥量（$\text{kg}$），$SD = R/\sqrt{Q}$ 為比例距離（Scaled Distance），$K, \beta$ 為現地地質衰減係數。
• 空氣衝擊波（爆風超壓，Airblast / Air Overpressure）：爆炸氣體急遽膨脹擠壓空氣所產生的大氣壓力突波，以線性分貝（$\text{dBL}$）或超壓值（$\text{kPa}$）衡量。
• 飛石（Flyrock）：岩塊因局部受力失衡被拋射至設計堆積範圍外的異常飛散物。最大飛石距離常以倫德堡（Lundborg）經驗公式評估： $R_{\max} = 261 \cdot d^{2/3}$ 其中 $d$ 為鑽孔直徑（$\text{m}$）。

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解題方法

本題為標準的技師申論題，作答應採取「先界定本質，再分類逐項剖析」的系統化架構：

1. 定義部分：從「熱力學能量轉換效率」切入，說明有效破岩功與殘餘能量之消散途徑，確立有害效應之定義與涵蓋範疇。
2. 防治措施部分：分別針對題目指名之「地震」、「空氣衝擊波」、「飛石」，依據其產生機制（成因）導引出對應的控制與改善措施。措施應涵蓋「源頭爆破參數設計（內在幾何）」、「施工品質管制作業（外部控制）」與「被動式工程防護（阻隔遮蔽）」三大維度，展現礦業工程專業深度。

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選項分析

本題為專技高考「申論題」，非選擇題型，故無選項對錯分析。評閱焦點在於名詞定義是否具備工程理論基礎，以及所列防制措施是否切中各效應之發動機制，切忌僅條列口號而缺乏工程因果邏輯。

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解題技巧

1. 記憶核心關鍵詞彙：

• 振動防制：緊扣「限制單段最大起爆藥量（$Q$）」、「微差起爆（毫秒延時）」與「預裂減振縫」。
• 空氣衝擊波防制：緊扣「填塞長度與材質（防孔口吹爆）」、「杜絕地表裸露爆破」與「氣象逆溫層監控」。
• 飛石防制：緊扣「最小抵抗線（$B$）精確控制」、「鑽孔偏角校正」與「地表被動覆蓋（防護網／輪胎排）」。

2. 避免答題地雷：

• 切勿將「微差爆破」誤寫為僅能增加破碎度，其在安全上的關鍵功用是「將總藥量分散起爆，降低單段同時起爆之能量峰值」。
• 填塞（Stemming）不可泛稱「塞土塊」，必須強調「採用具有角礫質地的碎石或粗砂，長度大於或等於最小抵抗線」，方能達到良好自鎖與密閉效果。

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【答案】

一、爆破有害效應之定義

爆破有害效應係指化學炸藥在岩體中起爆時，僅有部分能量（約 $20\% \sim 30\%$）轉化為破碎、裂開及適度推擠岩石之有效有用功；