Провел эксперимент еще раз, одновременно со второй записью в access логе появляется запись в error логе:

2014/10/31 14:59:45 [info] 30851#0: *2589 client prematurely closed connection while reading client request line, client: 1.1.1.1, server: host.domain.tld

похоже дело действительно в обрыве соединения, но как с этим бороться?