111 專技高考高等考試 礦業安全技師 礦場通風與排水 考古題詳解

核心觀念 本題評量礦場排水工程與礦場水文地質學之基本核心概念。礦坑湧水（Mine Inflow）是威脅地下採礦安全的主要災害源之一，探討其來源旨在建立防排水規劃、湧水量預測與探放水措施之基礎。 依據我國《礦場安全法》及命題當年（民國 111 年）施行之《地下礦場安全規則》（與《煤礦安全規則》相關防排水章節），礦場應對坑內水文狀況進行調查，預防突水（Inundation）事故。水文來源主要依自然界水循環補給路徑及礦山開採歷程，分為地表水、地下含水層水、舊坑（老空區）積水以及採掘作業用水四大類。

解題方法 回答申論題時，切忌僅以零碎名詞條列，應採取「分類歸納＋補給途徑＋工程特性」的系統性層次鋪陳：

1. 外在自然水源（地表水系）：著重降雨、地表水體藉由露頭、裂隙或崩塌區之補給。
2. 地質構造與地層水源（地下水）：著重含水層（孔隙水、裂隙水、溶洞水）與構造導水通道（斷層破碎帶）。
3. 歷史採掘水源（老空水／舊坑水）：著重人為開採後蓄積之封閉高壓死水，此為水害事故最危險來源。
4. 人工生產水源（作業用水）：採礦現場輔助作業導入之工業用水。

選項分析 本題為專技高考之申論問答題，並無單選題選項。考生應依照論述題給分標準，將湧水來源分類列出，並逐項申論其賦存狀態、滲入坑內途徑及對礦場安全之影響。

解題技巧

1. 記憶口訣：「天、地、舊、工」

• 天（天水／地表水）：大氣降水、河湖水。
• 地（地層水／地下水）：含水層水、斷層破碎帶水。
• 舊（舊坑水／老空水）：鄰近廢棄坑道、採空區盲積水。
• 工（工業水／作業水）：鑽孔、防塵噴霧、水力採礦充填水。

2. 答題加分關鍵：在各類水源後方補充「補給管道（如地表陷落裂隙、導水斷層）」與「水質／災害特徵（如老空水呈強酸性且具高壓突水風險）」，能展現技術師層級的專業深度。
3. 法規呼應：引述以命題當年（民國 111 年）法規為準之探水規定，強調對「老空水」與「斷層水」實施「有疑必探、先探後掘」之安全準則。

【答案】

核心觀念

本題考核地下礦場通風工程管理與法規規範中之核心圖資——**通風系統圖（Ventilation Schematic / Ventilation System Map）**應記載之法定與工程項目。

1. 法源與規範依據：

• 本題以命題當年（民國 111 年）法規為準，主要依據《礦場安全法》及授權訂定之《地下礦場安全設施標準》（通風章節）。（註：現行《礦業法》及其相關子法已於民國 112 年通盤修正公布，但通風工程學理與通風圖資之核心要素完全一致。）
• 學理依據：礦場通風工程學（Mine Ventilation Engineering），地下礦場通風計畫之「通風系統圖」旨在以圖面完整呈現全礦空氣動力路網、通風控制設施、採掘作業面環境及防災避難路徑，為礦場日常通風配風、安全查核及重大災害（如火災、瓦斯突湧）應變指揮之核心依據。

---### 解題方法

本題為標準的申論問答題。解答切入點不可僅零星條列幾項設備，應採**「系統功能分類法」**，將通風系統圖之內涵拆解為五大核心架構：

1. 風流路網與流向動態（空氣自哪裡進、由哪裡出、流向與流量）
2. 通風動力設施（提供風流流動的動力源分布與規格）
3. 通風控制與調控構築（引導、隔離、調節風流之硬體構造）
4. 作業現場與危險區域（受風之開採面及有害氣體源）
5. 安全監測、通信與防災避難設施（環境監測傳感器與緊急逃生路徑）

透過結構化分類陳述，能展現工程系統性思維，並命中考選部評分標準之所有關鍵字。

---### 選項分析

本題為申論問答題，無選擇題選項。以下針對作答時必須涵蓋之各系統要素與技術內涵逐一剖析，說明其於通風系統圖中之功能與重要性：

1. 風流路網及流向要素（必須具備定性與定量資訊）：

• 進風井（巷）與排風井（巷）：明確劃分新鮮空氣進風道（Intake Airway）與污濁空氣排風道（Return Airway）。
• 風流方向箭頭：標示主要巷道、分支巷道及各採掘面之預定氣流流向。
• 風量與風速數據：各主要測風站（Air Measuring Station）標示斷面積 $A$（$m^2$）、風速 $v$（$m/s$）及實測風量 $Q$（$m^3/min$ 或 $m^3/s$）。

2. 通風動力設備要素（動力源配置）：

• 主扇風機（Main Fan）：標明地表或井下主要抽風機（Exhaust Fan）或壓風機（Blower Fan）之位置、型號、容量、運轉風壓與排風量。
• 輔助扇風機（Booster Fan）與局部扇風機（Auxiliary Fan）：標示井下增壓輔扇及掘進巷道局部風機之位置、配套風筒型式。

3. 通風控制構築設施要素（風流調控硬體）：

• 永久風牆／密閉牆（Stoppings / Seals）：隔離進風與回風巷道或阻隔採空區之密封牆體。
• 風門（Air Doors）：人員與車輛通行用之風門，特別是具有聯鎖防漏風功能之雙重氣閘風門（Air Lock）。
• 調節風門／風窗（Regulators）：用以調整分支風路阻抗、控制配風量之可調式通風調節設施。
• 風橋（Overcasts / Undercasts）：進風與回風立體交叉立交橋，避免新風與污風混流。
• 風簾／帆布隔風設施（Curtains）與局部通風風筒（Ventilation Ducts）。

4. 作業區域與地質危險源要素（通風服務對象與防範區域）：

• 工作面位置：開採面（Working Faces）、回採面及掘進面（Development Headings）之具體位置與作業編號。

核心觀念

本題考查以旋轉葉片風速計測得巷道風速，再以巷道有效通風截面積換算風量。風速計測得的是測點的局部風速；巷道內風速分布不均，不能只取單一測點代表全斷面，應在代表性斷面布點量測並求平均風速。

其中，$Q$ 為風量（$\mathrm{m^3/s}$），$\bar v$ 為斷面平均風速（$\mathrm{m/s}$），$A$ 為有效通風截面積（$\mathrm{m^2}$）。

解題方法：斷面布點量測

1. 選定量測斷面：選擇巷道形狀較規則、氣流穩定的直線段，避開風門、分岔、彎道、局部障礙物及其他會擾動氣流的位置。量測人員站在不遮擋風流的位置，避免身體或器材造成阻風。

2. 檢查風速計：確認葉片轉動順暢、儀器校正有效，依儀器操作方式設定量測功能。若儀器有校正係數，依校正資料修正讀值。

3. 測定斷面及布點：量取巷道斷面尺寸，確認有效通風面積；再將斷面分成若干面積相等或近似相等的小區，在各區代表位置量測。測點應涵蓋斷面中央與周邊，避免只量中央風速。

 巷道斷面
 ┌──────────────────┐
 │ ●──────→────● │
風流方向│ ↓ ↑ │
 → │ ●──────→────● │
 │ ↓ ↑ │
 │ ●──────→────● │
 └──────────────────┘
 ●：各小區代表測點
 箭線：依次移動量測的路線

核心觀念

本題考查地下礦場「分段（接力）排水系統」之水理計算與機電設備選型規範，核心包含三大要點：

1. 分段（接力）排水之水理平衡原理：

• 地下深部礦坑常因揚程過高、水壓過大，需設置多階中繼水倉實施接力排水。
• 揚程分配：下段抽水機揚程為「坑底水倉至上段水倉」之垂直距離；上段抽水機揚程為「上段水倉至地表坑口」之垂直距離。
• 流量連續性：接力排水系統中，上段水倉除接納上段自身湧水外，亦必須承接下段抽水機揚升之排水。因此，上段抽水機之排水平衡流量應為「上段湧水量＋下段接力湧水量」。

2. 抽水機進水管徑計算公式：

• 依流體力學連續方程式 $Q = v \cdot A = v \cdot \left(\frac{\pi D^2}{4}\right)$，管徑 $D = \sqrt{\frac{4Q}{\pi v}}$。
• 當抽水機吸水管推薦經濟流速取 $v \approx 2.0\text{ m/s}$ 時，換算管徑（單位為公厘，$\text{mm}$）為： $D = \sqrt{\frac{4}{\pi \times 2}} \times 1000 \times \sqrt{Q} \cong 798\sqrt{Q}\text{ (mm)}$ （註：本題簡式依考選部原題之水力學公定經驗式為 $D \cong 798\sqrt{Q}$；題幹文字若排印為 $798 \times Q$，解題時亦一併列出對照）。

3. 抽水機需用馬力簡易估算式：

• 理論水馬力 $P_w = \frac{\gamma Q H}{75}$（公制馬力，$\text{PS}$）或 $\frac{\gamma Q H}{76}$（英制馬力，$\text{Hp}$）。
• 考量抽水機效率 $\eta \approx 60\% \sim 65\%$ 及電機安全儲備裕度 $\alpha \approx 1.15 \sim 1.20$，工程經驗簡化係數為 $25$，即： $\text{Hp} \cong 25 \times Q\text{ (m}^3\text{/s)} \times H\text{ (m)}$

解題方法

本系統劃分為「下段排水（坑底水倉至上段水倉）」與「上段排水（上段水倉至坑口）」兩級獨立抽水機組，分別計算其排水流量、垂直淨揚程、需用馬力及進水管徑：

一、下段抽水機組（坑底水倉 $\to$ 上段水倉）

1. 排水流量換算（$Q_{\text{下}}$）： 下段湧水量 $q_{\text{下}} = 0.6\text{ m}^3\text{/min}$： $Q_{\text{下}} = \frac{0.6}{60} = 0.01\text{ m}^3\text{/s}$

2. 揚程計算（$H_{\text{下}}$）： 坑底水倉距坑口垂距 $150\text{ m}$，上段水倉距坑口垂距 $100\text{ m}$： $H_{\text{下}} = 150 - 100 = 50\text{ m}$

3. 需用馬力估算（$\text{Hp}_{\text{下}}$）： $\text{Hp}_{\text{下}} = 25 \times Q_{\text{下}} \times H_{\text{下}} = 25 \times 0.01 \times 50 = 12.5\text{ Hp}$

4. 進水管徑估算（$D_{\text{下}}$）：

• 依標準水力學經驗式 $D \cong 798\sqrt{Q}$： $D_{\text{下}} = 798 \times \sqrt{0.01} = 798 \times 0.1 = 79.8\text{ mm} \cong 80\text{ mm}\text{（約 3 吋管）}$
• 若直接套用題幹文字印製式 $D \cong 798 \times Q$： $D_{\text{下}} = 798 \times 0.01 = 7.98\text{ mm}$

二、上段抽水機組（上段水倉 $\to$ 坑口）

1. 排水流量換算（$Q_{\text{上}}$）： 採分段（接力）排水時，上段水倉必須同時排除上段本身湧水與下段揚升匯入之水，故上段抽水機負擔之總水量為： $q_{\text{上}} = 23.4 + 0.6 = 24.0\text{ m}^3\text{/min}$ 換算為秒流量： $Q_{\text{上}} = \frac{24.0}{60} = 0.4\text{ m}^3\text{/s}$ （補充：若單純以題目所列上段自身湧水量 $23.4\text{ m}^3\text{/min}$ 估算，則 $Q_{\text{上}}' = \frac{23.4}{60} = 0.39\text{ m}^3\text{/s}$）。

2. 揚程計算（$H_{\text{上}}$）： 上段水倉距坑口垂距： $H_{\text{上}} = 100\text{ m}$

3. 需用馬力估算（$\text{Hp}_{\text{上}}$）：

• 以接力排水總水量 $Q_{\text{上}} = 0.4\text{ m}^3\text{/s}$ 計算：

核心觀念

本題為「礦場通風與排水」之典型申論題，測驗考生對地下礦場（礦坑）湧水防治、排水系統規劃架構及工程選型原則之專業知識。

1. 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 25 條關於礦場湧水預防及排水設備之規定。
• 《礦場安全設施規則》地下礦場篇之「排水設施」專節：明定礦坑主排水設備之排水能量、備用泵容量、主水倉有效容積（須能容納一定時數之正常湧水量）、雙迴路供電及防水閘門配置等安全標準。

2. 水力學與流體機械原理：

• 總揚程（Total Dynamic Head, $H$）平衡方程式： $H = H_{st} + h_f + h_m$ 其中 $H_{st}$ 為靜揚程（地形高差），$h_f$ 為管路沿程摩擦損失水頭，$h_m$ 為局部阻力損失水頭（閥門、彎頭等）。
• 水倉容積與湧水量平衡：考量正常湧水量（$Q_{nor}$）與最大暴雨/豐水期湧水量（$Q_{max}$）。

解題方法

本題應採取「系統工程架構法」切入，分為兩大答題主軸： 第一部分「礦坑排水系統之分類」：從「動力驅動方式」與「空間管網層次」兩個工程構面給予嚴謹定義與分類。 第二部分「排水系統之選擇」：從地質水文、井巷工程、管路揚程、水質特性、安全法規與經濟能耗等六大準則，建立決策矩陣與評估流程。

一、礦坑排水系統之分類

礦坑排水系統係由水溝、沉澱池、水倉（集水池）、泵房、排水管路及地表排放系統所組成。常見分類方式如下：

1. 依驅動機制與排水動力分類：

• 自然排水系統（自流排水系統）：
• 原理：利用巷道由內向外傾斜之順坡（通常保持 $3‰ \sim 5‰$ 之底板坡度），使地下湧水沿水溝藉由重力完全自然流出平硐口或坑外。
• 適用：地表水體或侵蝕基準面高於坑口之平硐開採礦場。
• 機械排水系統（動力揚水系統）：
• 原理：當開採標高低於坑口或地表排水基準面時，重力無法自流排出，必須匯集湧水後藉由抽水機（水泵）提供能量，經由排水管管路加壓揚升至地表。
• 適用：斜井、立井及各類深部盲巷開採礦場。

2. 依管網架構與揚水級數（階梯）分類：

• 集中排水系統（單段直接揚水）：
• 原理：全礦坑各水平或各工作面之湧水，全數導流匯集至坑底中央主水倉，由主排水泵房一次性直接揚升至地表。
• 特點：管路與水泵設備集中、管理容易、操作人員少；但管路及水泵耐壓等級要求高。
• 分段階梯式排水系統（多級接力揚水）：
• 原理：垂直高差極大時，中途設置中間水倉與輔助泵房，深部湧水先排至中間水倉，再由中間泵房接力排至地表。
• 特點：有效降低單一水泵及管道所承受之高靜水壓與水錘壓力，但設備分散、維護成本高、各級水倉容積協調要求嚴格。
• 分區獨立排水系統（局部排水系統）：
• 原理：礦區範圍廣大、各採區或各水平湧水量差異懸殊，或地質構造隔水性佳時，各採區各自獨立設置水倉與排水管路排至地面。
• 特點：互不干擾、安全隔離性高，可避免某一採區突水時殃及全礦。

3. 依作業功能層次分類：

• 主排水系統：常設於中央坑底，擔負全坑或大區段長期主要排水責任。
• 輔助（局部）排水系統：裝設於採掘工作面、下山盲巷等局部凹窪低處，利用小型潛水泵或氣動泵將積水揚送至主水溝或主水倉。

二、礦坑排水系統之選擇準則

選擇適當之礦坑排水系統，須綜合評估以下六項工程與水文地質因素：

1. 礦床賦存條件與開拓方式（地形地勢）：

• 若礦體位於當地地表侵蝕基準面之上，且採用平硐開拓，首選「自然自流排水系統」，能耗為零且安全無停電淹坑之虞。
• 採用斜井、立井或平硐盲下山開拓者，基於幾何標高限制，必須選擇「機械排水系統」。

2. 湧水量規模與動態變化規律：

• 正常湧水量（$Q_{nor}$）與最大湧水量（$Q_{max}$）比值小且穩定時，採用標準集中式排水。
• 若受季風、暴雨入滲影響嚴重導致 $Q_{max}/Q_{nor}$ 極大，需加大水倉容積調節，並選用多台水泵並聯之彈性配置系統。

3. 開採深度與揚程（水頭）限制：

• 垂直高度 $H \le 300\,\text{m}$：優先選擇集中單段排水，選用多級高壓離心泵直接排至地面，系統架構精簡。
• 垂直高度 $H > 300\,\text{m} \sim 400\,\text{m}$：若單段揚水導致管壁承壓過高、水錘風險大、水泵耐壓等級不符經濟效益，應選擇分段階梯式排水系統。