一种基于压裂与超声激励一体化的煤层注水系统及其操作方法，其中系统包括封孔子系统、压裂子系统、超声波激励子系统和控制单元，封孔子系统包括封孔组件，封孔组件设置于煤层的压裂钻孔内以封堵压裂钻孔并使压裂钻孔的里侧形成密闭的压裂空间；压裂子系统包括压裂管、压裂泵、回流管、回流泵、压裂返排液处理站和压力监测装置；超声波激励子系统包括超声波发生电源、超声波连接线和超声波换能器，超声波发生电源设置在压裂钻孔外；控制单元电性连接压力监测装置、压裂泵、回流泵和超声波发生电源。本发明结构合理而紧凑，且通过将压裂和超声波激励相结合，能有效驱使水沿煤体压裂产生的裂隙网进入更细微的微孔隙中，从而提高注水效率和注水效果。