针对四川某矿薄煤层合层开采条件下较大断面巷道大变形、难控制、返修率高等问题,采用实验室试验、理论分析、数值模拟、现场监测相结合的方法,针对顶板岩体设计了三轴卸荷单轴再加载试验,理论分析了煤-岩-煤巷道破坏机理,采用数值模拟优化了支护方案,并在工程现场进行了验证.结果表明:砂岩试件三轴卸荷程度越高,试件损伤程度越高,裂隙越发育.单轴再加载时,试件主要表现为剪切破裂、拉伸破裂及拉剪混合破裂;基于JRCJCS模型分析不同JRC,JCS条件下煤岩体的破坏形式,顶板坚硬的煤-岩-煤巷道破坏主要表现为煤体滑移破坏,并求解了巷道破碎区半径;通过数值模拟验证了优化后的支护方案,现场应用表明:围岩变形在60 d后趋于稳定,两帮的顶底板的平均移近量分别为24.6,21.7 mm,支护效果良好,能够满足安全生产要求.