Насколько я понимаю, это не ошибка а особенность:
в /proc/mounts недостаточно информации для того, чтобы размонтировать такие
устройства.

Об этом я не подумал. Сравним после монтирования: 
/etc/mtab: 
junior23.iso /mnt/disk iso9660 rw,loop=/dev/loop0 0 0 
/proc/mounts: 
/dev/loop0 /mnt/disk iso9660 ro 0 0 
(здесь флаги пишутся те, которые фактически переданы ядру, верно?) 
 
Получается, mount при монтировании loop должен указывать 
дополнительный параметр, позволяющий засечь что надо размонтировать. 
Или изменить поведение: при размонтировании _всегда отключать_ размонтируемое 
loop-устройство, а не только созданное при монтировании через mount. 
 

Думаю что ничего не надо делать. Есть у mount/umount возможность работать без
привлечения /etc/mtab. Ей и надо пользоваться вместо наведения симлинков.

Поставим вопрос так: 
как отключить в системе использование перезаписываемого /etc/mtab 
так, чтобы при этом не сломалось отмонтирование loop-устройств? 

наверное надо системные скрипты править соотв. образом.

расшифрую ещё чуть подробнее: 

--- eostapets@
Кто что думает о том, чтобы сделать /etc/mtab симлинком на /proc/mounts?
Это будет неплохим первым шагом к ro / ...
---

Женя, можешь почесать скрипты, поскольку Стасу сейчас не до r/o, потому что
альтератор.

back to me :)

mount с тех пор переписали, /etc/mtab штатно стал симлинком:

$ rpm -qlv mount | grep mtab | cut -c63-
/etc/mtab -> /proc/mounts

и эта бага у меня не воспроизводится:

# mount -o loop mkimage-profiles.iso /mnt
# losetup -a                             
/dev/loop0: [2058]:4591216 (/home/mike/out/rescue-20130628-x86_64.iso)
# grep iso /proc/mounts                  
/dev/loop0 /mnt iso9660 ro,relatime 0 0
# umount /mnt                            
# losetup -a           
# _