Há um pouco de contexto faltando aqui. No entanto, acho que a resposta pode ser bem simples.
Os módulos são carregados quando um processo de trabalho é instanciado. Quando um módulo é carregado, normalmente, ele é copiado para a imagem do processo na memória, e as alterações no disco não o afetam. Se isso é relevante depende do que você está fazendo no seu módulo personalizado.
Certamente, o apache não exibe um comportamento estranho ou indefinido quando arquivos acessados por módulos são usados e alterados. Se o seu módulo abrir um arquivo, seria muito estranho que uma modificação posterior desse arquivo fizesse o que você disse, embora eu tenha a impressão de que há uma razão para isso não estar claro.
Verifique também se o sistema de arquivos subjacente realmente armazena e atualiza o mtime da maneira esperada. Nem sempre. Sua verificação de horário (que você não incluiu) também pode estar errada.
Como você diz que o arquivo está sendo recarregado por algum meio desconhecido, é bem possível que um novo processo de trabalho esteja sendo instanciado para cada solicitação ou que você obtenha um trabalhador diferente sempre que tentar.
Considere a impressão de depuração na sua verificação do mtime para ajudar a isolar isso.