支架初撑力的工作原理是,由设在顺槽中的泵站提供的高压乳化液作为支架的初始工作阻力而实现对顶板岩层运动的立即主动控制。在高压乳化液注入支架缸体过程中,通过立即主动压实支架顶梁上浮煤、底座下面的浮矸及直接顶板的采动变形,待初撑增阻过程完成,达到其所具备的额定初撑力后,支架即达到了立即主动控制顶板岩层运动的目的。在这个过程中,支架初撑力通过主动压缩中间介质,直接顶板的扩容变形而缩短了支架额定工作阻力的被动增阻过程,减少了工作面顶板的被动增阻下沉量。由此看出,支架初撑力具有立即主动控制顶板岩层增阻运动及减少工作面顶板增阻下沉量的作用。在支架不具备额定工作阻力条件下,支架在对顶板完成初撑增阻运动控制同时,以其所具有初撑力为恒定阻力,也能主动立即地起到控制顶板岩层恒阻运动作用,由此看出,支架初撑力同时具有控制顶板增阻、恒阻下沉运动双重作用。也就是说支架初撑力在起到初撑力作用同时,还能起到额定工作阻力作用。完成初撑控制任务后的支架,在顶板运动施加给支架的压力超过支架初撑力时,支架回液阀开启,立柱开始产生恒阻下降,顶板相应产生恒阻下沉,待顶板压力与支架初撑力达到平衡时,回液阀关闭,支架下降,顶板恒阻下沉停止,从而使支架初撑力在对顶板完成初撑控制同时,也实现了对顶板岩层恒阻运动控制。这就是支架初撑力既具有控制顶板增阻下沉量的作用,同时又具有控制顶板恒阻下沉量作用的工作过程。需要说明的是,在单独使用支架初撑力控制顶板运动时,它的这种立即主动恒阻控制作用才能呈现出来。支架这种初撑增阻、恒阻控制顶板运动作用,它需要动力消耗。

作为工作面顶板控制,单独使用支架初撑力或单独使用额定工作阻力控制情况是不存在的。通常是,既使用具有一定初撑力,又使用具有一定额定工作阻力支架对顶板岩层运动进行控制,且支架的额定工作阻力一般都大于初撑力。因此,支架额定工作阻力的工作原理是支架在具备一定初撑力的基础上,由顶板运动作用在支架上的压力,将在支架安全阀调定额定工作阻力控制下,以支架具备初撑力为起点,在顶板运动所产生压力作用下,通过再压实中间介质,采场上方直接顶板产生的采动变形及支架弹性压缩量而产生一个被动增阻过程。在这个过程中,工作面顶板也要相应产生一个被动增阻下沉量。经增阻,当工作面顶板运动产生的作用在支架上的压力与支架所具备额定工作阻力达到平衡时,支架达到了控制顶板恒阻运动的额定工作阻力。之后随着顶板再运动,顶板压力超过支架安全阀调定压力即支架所具备额定工作阻力时,支架安全阀开启卸液下缩,顶板进行恒阻下沉,从而起到恒阻控制顶板运动的作用。支架这种额定被动控制顶板恒阻运动作用,不需要动力消耗,其阻力由安全阀提供。

由上述分析看出,不管是支架初撑力,还是额定工作阻力,在它们阻力达到额定值后,都能实现对顶板岩层恒阻运动的控制。因此可以说,它们在对顶板恒阻运动控制的作用上是相同的,只不过是实现路径不同,一个是初撑主动立即控制,一个是额定被动增阻控制。同时还可以看出,由于支架初撑力同时具有控制顶板增阻、恒阻运动双重作用,而支架额定工作阻力只具备控制顶板恒阻运动作用,而不具备控制顶板增阻运动作用,所以支架初撑力能代替额定工作阻力工作,而支架额定工作阻力不能代替初撑力工作。支架初撑力与额定工作阻力异同点见表4-1。

表4-1　支架初撑力、额定工作阻力工作特性及异同一览表(www.daowen.com)

支架初撑力优势是能立即、主动控制顶板岩层运动,且能主动压实中间介质、直接顶扩容变形,控制顶板增阻过程,减少顶板增阻下沉量,其缺点是需要动力消耗。而支架额定工作阻力优势是不需要动力消耗,其缺点是被动控制顶板岩层恒阻运动,且存在一定被动增阻过程,并使工作面顶板产生一被动增阻下沉量,在直接顶底板岩层完整稳定,支架顶梁上、底坐下面浮矸、浮煤少的条件下,该增阻下沉量不大,对采场不会产生多大影响,但当直接顶底板岩层松软破碎时,该增阻下沉量就不容忽视了。

作为回采工作面的顶板控制设计,都是用支架额定工作阻力控制顶板岩层的恒阻下沉量,这是因为控制顶板的恒阻下沉运动特别是控制基本顶断块的恒阻运动需要较高的支架阻力,用安全阀提供额定工作阻力控制,它不需要动力消耗、资金投入。在这种情况下如用支架初撑力来控制顶板恒阻运动,就要投入相应的设备和一定的动力消耗。这就是利用支架额定工作阻力控制顶板岩层恒阻运动,而不用初撑力控制顶板岩层恒阻运动的原因。在支架具备较高额定工作阻力控制顶板恒阻运动的同时,支架还应具备一定小于支架额定工作阻力的初撑力,以利主动压实中间介质,提高松软破碎直接顶岩层刚度,控制支架增阻过程,减少顶板增阻下沉量。所以既具备一定初撑力,又具备足够额定工作阻力的支架,才能实现安全地、科学地、合理地、经济地控制顶板岩层运动。这就是支架对顶板控制设计的理念。